Аппарат с металлической рамкой оснащен дисплеем размером 5,2 дюйма и разрешением 1920 x 1080 пикселей. Основой смартфона служит SoC Qualcomm Snapdragon 810 с восьмиядерным процессором, работающим под управлением ОС Android 5.0. Четыре ядра Cortex-A53 работают на частоте 1,5 ГГц, четыре ядра Cortex-A57 — на частоте 2 ГГц. В состав SoC также входит GPU Adreno 430.

Объем оперативной памяти равен 3 ГБ, флэш-памяти — 32 ГБ. Расширение флэш-памяти возможно с помощью карточки microSD, microSDHC или microSDXC объемом до 128 ГБ.

В оснащении смартфона выделяется основная камера, в которой используется датчик Exmor RS формата 1/2,3 дюйма разрешением 20,7 Мп и процессор изображений Bionz. Фронтальная камера имеет разрешение 5,1 Мп. Оснащение Sony Xperia Z4 также включает средства беспроводного подключения Wi-Fi 802.11ac и Bluetooth 4.1, интерфейс MHL. Питается устройство от аккумулятора емкостью 2930 мА∙ч.

Габариты смартфона равны 146 х 72 х 6,9 мм, масса — 144 г. В спецификациях устройства обращает на себя внимание упоминание степеней защиты IPX5/8 и IP6X.