小米12S Ultra使用经典的双曲面机身设计，顶部和底部则通过运用平面设计，手机能够完全立起在水平面之中。镜头部分运用了阶梯式的结构设计，以此来冲淡镜头区域凸起的效果。镜头区域的底部矩形区域采用金属材质，圆形的“奥利奥”区域边框同样是金属材质，整体结构十分坚固，造型上与卡片相机的镜头类似。
在机身材质上，小米12S Ultra车采用了有机硅素皮材料，相比普通素皮材料，表面的抗污能力更强，墨水、可乐、咖啡、番茄酱、酱油、红酒等污渍均可直接擦除。表面纹理采用定制化的小牛头层皮效果，错落有致的表层堪比天然皮质效果，有着真皮一般的触感。有机硅素皮材料还具备抗紫外线、耐老化性能，长久使用能保持一如既往的手感，比天然皮更具耐用性。
中框采用金属材料打造，进一步加强手机的坚固程度。前后双曲面的造型做工很好，具备IP/68级别防尘防水，外出拍照时无惧天气环境可能造成的手机损害隐患。手机重量225克，拿在手里有些压手。
屏幕使用的是6.73英寸Dolby Vision原色屏，采用经典的挖孔屏设计，两侧运用曲面设计，进一步降低了边框对视觉的影响，屏占比高视野大，观影视觉效果好。
