De OnePlus 3 heeft een nieuw metalen achterkant, zoals bij de HTC M9, met geanodiseerd aluminium en afgeronde hoeken. De telefoon is beschikbaar in twee kleuren, Graphite (grijs/zwart) en Soft Gold (goud/wit). Daarnaast zijn er ook nog beschermhoesjes te koop met de materialen: Kevlar, Black Apricot hout, bamboe, rosewood en sandstone.

De telefoon is een stukje kleiner dan zijn voorganger, de OnePlus 2. Hij is 2.5 mm dunner, 0,9 mm korter en 0,2 mm smaller maar is nog steeds even groot met zijn 5,5 inch (139,7) schermdiagonaal. Het scherm van de telefoon is nog steeds 1920x1080p, net zoals bij zijn voorgangers maar de OnePlus 3 is de eerste met een AMOLED-scherm.

De OnePlus 3 is ook de eerste OnePlus telefoon met alleen een 64GB variant te koop. Het geheugen is net zoals zijn voorgangers niet uitbreidbaar. De OnePlus 3 heeft een Dual SIM-slot.