系統方面，Nexus 5采用了同期發布的Android 4.4 KitKat操作系統，這也是谷歌最新的Android系統，雖然版本號仍停留在4.X，但是從名稱后綴上我們已經看出，Android 4.4已經不再叫JellyBean，所以從官方的角度上來說，這應該是一次大版本的更新。
但事實上，Android 4.4與Android 4.3相比，改動并不是非常大，也不是非常多，所以這可能也是版本號并沒有進入5.0的原因之一(之前一直猜測谷歌下一次發布的Android系統版本為5.0)。
應用圖標融入更多扁平化元素（左為Nexus 5）
Android 4.4與Android 4.3底欄對比(上為Nexus 5)
Android 4.4最大的變化應屬圖標，相比以往Android 4.4加入了更多扁平化的元素，并且圖標的尺寸也有所增加，這讓主屏幕比以往顯得更加充實、緊湊。除此之外，在主界面Android 4.4的屏幕上邊框和下方虛擬鍵的部分都采用了漸變的設計，不再是以往的大黑邊，在視覺效果上更容易令人接受，而且也讓屏幕顯得更大。
解鎖界面會有專輯封面
除此之外，如果用戶當前正在播放音頻或者視頻，當屏幕關閉后再次點亮屏幕時，專輯的封面會顯示在解鎖界面，而且也可以解鎖界面控制歌曲進度及播放等。另一方面，谷歌加強了環聊軟件的整合性，無論是SMS(文字短信)還是MMS(彩信)都會在環聊中顯示出來，以往的短信應用在Android 4.4中已經沒有了蹤影。
語音指令開啟Google Now
除了這些較明顯的改動以外，Android 4.4還有一些細小的改動。事實上，雖然Nexus 4目前采用的是Android 4.3操作系統，但是身為Nexus系列手機，Nexus 4一定會盡快更新Android 4.4操作系統，而且目前已經有很多國外第三方ROM團隊放出了適配Nexus 4的Android 4.4，所以這些系統層面的對比在Nexus系列手機上顯得并不是很關鍵。
