在小米MIX2S之前，小米MIX系列是不敢谈拍照的，更别提还需要倒转手机使用的前置相机。得益于滑盖式设计，小米MIX3把前置相机放置到了背板顶部，滑开即可自拍。后置双摄则是米8同款火山口竖排设计，个人更喜欢居中设计。
从小米MIX2S开始到小米8，再到小米MIX3，后置双摄的位置、硬件配置均为改变，依然是1200万+1200万AI双摄。小米MIX2S凭此配置以101分冲进DXO榜单，小米8时是105分，小米MIX3时则达到108分，三款机型是完全相同的相机模组。硬件不变，单靠优化算法就把拍照品质提升一大截，小米单独成立的相机部分确实很给力。得益于AI智能测光、多重长曝光、多维多帧降噪等技术加持，小米MIX3支持“超级夜景”模式，轻松拍夜景大片。
由于小米MIX3与小米MIX2S、小米8都是同样的硬件，意味着小米MIX3的相机算法可移植到小米8与MIX2S，很威武！小米MIX3前置也首次采用了双摄设计，2400万+200万组合，2400万主摄是索尼IMX576、1.8um大像素(小米8青春版同款前摄)，200万副摄主要用于记录景深效果；弱光环境时，可开启柔光灯进行补光，不仅支持人像模式、影棚模式、AI裸妆美颜，前置相机还首次支持视频实时虚化。来张自拍，本尊真容，看到此图的必须点个赞！
根据样张表现，小米MIX3前置在背景虚化、美颜方面均无可挑剔，自拍很多功能是针对女性用户优化的，比如AI天使眼神光，男生用怪怪的所以未公开照片。后置相机，小米MIX3后置相机拍摄植物时层次感表现丰富，树叶边缘控制不错，因为有风时叶子最容易模糊，需要对焦特别快；夜间环境拍摄时，暗部放大后很干净，色彩还原也很优秀，噪点很少很少！