盡管小米4S并未搭載高通驍龍820處理器，不過這款手機依然采用了高通驍龍800系列穩定性不錯的——驍龍808處理器，與前作小米4c一樣。高通驍龍808是一款六核處理器，單核速度可達2 GHz，擁有兩個A57核心和四個A53核心，并配備Adreno 418 GPU，集成X10 LTE調制解調器，理論上能夠實現450Mbps的下載速度。
高通驍龍808處理器
當然，高通驍龍808處理器的整體性能也不弱，支持4K超高清視頻拍攝和播放。為了保證整機的性能，小米4S還配備了3GB RAM和64GB機身內存，相比前作小米4c(注：16GB/32GB機身內存)存儲空間更大，能夠存儲更多文件資料，也算的上是該機的又一大提升。在安兔兔評測基準跑分測試中，小米4S的總分為57167分，屬于中端水準。相比高達10萬+的小米5差距明顯。
小米4S安兔兔評測數據
就日常操控體驗來說，小米4S界面切換較為流暢自然，相比年初上市的紅米Note 3全網通版來說流暢度有所提升。在首次打開撥號、聯系人、短信等基礎應用時，小米4S存在些許的延遲。對于《全民突擊》這樣的大型3D手機游戲，小米4S可以正常運行，射擊、移動等操作均能夠響應自如，畫面中的3D背景渲染也比較到位，體現了Adreno 418 GPU的優勢。
《全民突擊》游戲截圖
盡管相比小米5處理器配置以及性能跑分方面存在巨大差距，不過作為一款六核智能手機的小米4S，再結合3GB RAM(運行內存)，其多任務性能也不算弱，能夠同時運行流暢多個手機應用，多個應用之間的切換一般都比較流暢自然，基本屬于“秒開”，可以滿足不少普通用戶的日常操作需求。
《全民突擊》游戲截圖
