Sony Xperia Z5 Premium có khung viền được làm từ kim loại, 2 bề mặt phủ kính chống thấm dầu. Máy được trang bị màn hình IPS kích thước 5,5 inch, độ phân giải 4K (3.840x2.160 pixel), mật điểm điểm ảnh của nó lên tới 801 ppi. Xperia Z5 Premium có 4 tùy chọn màu sắc gồm vàng hồng, vàng đồng, đen và bạc.
Không chỉ là smartphone đầu tiên trên thế giới sở hữu màn hình 4K, Xperia Z5 Premium còn có rất nhiều ưu điểm nội trội như cảm biến vân tay được tích hợp nơi nút Home. Viên pin dung lượng 3.430 mAh, có hỗ trợ công nghệ sạc nhanh Quick Charge 2.0 (sạc đầy 60% trong vòng 30 phút).
Xperia Z5 Premium được cung cấp sức mạnh từ chip Qualcomm Snapdragon 810 lõi 8 với xung nhịp 2,0 GHz, GPU Adreno 430. RAM 3 GB, bộ nhớ trong 32 GB, có khe cắm thẻ nhớ ngoài lên tới 200 GB. Phablet này chạy hệ điều hành Android 5.1.1 Lollipop, có thể nâng cấp lên Android 6.0 Marshmallow.