小米在 2016 年 9 月發表了兩部旗艦新機,分別為小米 5s 以及小米 5s Plus,一改上代的陶瓷、玻璃機背設計,小米 5s 系列採用了全金屬一體機身設計,機背亦有兩個款式,一個是像紅米 Pro 般的髮絲紋理設計,而另一個則是磨砂設計。顏色方面有灰、銀、玫瑰金、金四種選擇。
作為小米 5 的升級版,小米 5s 在硬件上全面升級,首次配備了全球首款無孔式超聲波指紋識別功能,採用了 Under Glass 超聲波指紋技術,通過超聲波掃描識別出指紋獨特的 3D 特徵,10000 個微震傳感器採集指紋,同時還可以做到一體式無縫式面板指紋識別。
規格方面,小米 5s 配備了 Qualcomm S821 處理器,有兩個版本,分別為 3GB RAM + 64GB ROM 以及 4GB RAM + 128GB ROM。而在相機方面,小米 5s 具備超感光後置相機,是小米 5s 在「無孔式超聲波指紋識別」外另一大的黑科技,內置 Sony IMX378,是 Sony 截至 2016 年 9 月推出最大的手機相機感光元件,擁有 1.55μm 超大單個像素尺寸,單個像素進光量比 iPhone 6s Plus 多 61%,直逼主流卡片數碼相機的水準。
除了小米 5s,小米同場亦推出屏幕更大的小米 5s Plus,其屏幕尺寸達到 5.7 吋,配備了 Sony 雙 1300 萬像素高畫質主相機,擁有彩色和黑白兩種感光元件,分別記錄色彩和明暗信息,兩張照片合成擁有更多細節和更少噪點。小米 5s Plus 同樣配備了 S821 處理器,主頻最高可達 2.35Ghz,同樣有兩個版本,分別為 4GB RAM + 64GB ROM 以及 6GB RAM + 128GB ROM,安兔兔跑分更超過 16 萬。小米 5s 以及小米 5s Plus 都內置全功能 NFC。