iPhone 3Gsのデザインは前機種と同じく背面は光沢プラスチックでユーザーが端末を持ちやすいようにエッジはテーパー状に、ボタンは金属製になっている。ただし、下部にある文字の部分が3Gは灰色であるのに対し3Gsはアップルのロゴと同じ銀色である。前機種と違う点としてiPhone 3Gsは16GBと32GBモデルの端末の色を白と黒で選べるが、8GBモデルは黒のみである。
VoiceOver、色反転、テキストズームもiPhone 3Gsで初搭載された機能で、VoiceOverは音楽の詳細、システムメニューやテキストなどを音声再生する機能であり、最初に搭載されたのはiPod shuffleの第3世代である。色反転は配色において白を黒に、黒を白に反転する機能で、テキストズームはディスプレイでテキストを拡大する機能である。
iPhone 3GでのトライバンドUMTS/HSDPAとクワッドバンドGSM/GPRS/EDGEに加え、3GSでは下り7.2Mbit/sのHSDPAで高速ダウンロードが可能になったが、アップロード速度はアップルがHSUPAプロトコルを実装しなかったため変化はない。他のアップデートとしてNike+iPodセンサーが内蔵されていて、外部センサーの必要性が無くなり、Nike+iPodにネイティブ対応するようになった。またiPhone 3GsでのBluetoothサーバーはBluetooth 2.1の対応によって改善されている。
iPhone 3Gsには磁気センサも内蔵されていて、端末の周辺で磁場の方角や強度を測定するのに使用される。時々特定の端末や無線信号が妨害することがあるためユーザーは干渉場所から移動するか、端末を8の字に動かして再調整する必要がある。また発売時にコンパスアプリケーションが搭載されており、磁場の方角をコンパスで表示させることができる。
3.7V、1219mAhの内蔵再充電可能リチウムイオンポリマーバッテリーが搭載され、フル充電と放電が400回繰り返されても元容量の80%を保持できるように設計されている。バッテリー残量のパーセンテージ表示が初めて搭載された。アップルは、3Gsで10時間のビデオ再生、9時間のWi-Fiを使ったウェブブラウジング、12時間の2G回線を使った通話、5時間の3G回線を使った通話、30時間の音楽再生が可能でスタンバイ状態では300時間持つとしている。
過去の機種にようにすべてのデータはフラッシュメモリに保存されておりSIMには無く、ストレージの増量もできない。当初は16GBと32GBモデルのみの発売だったが、大容量モデルでiPhone 4を選んだり過去モデルとなった3GSを買う需要があったのか後にその16GB、32GBの2モデル販売終了と同時に8GBモデルも発売された。
サムスン電子設計製造のSamsung APL0298C05が搭載されている。他の搭載チップで、CPUは833Mhzから600MhzにアンダークロックされたARM Cortex-A8、GPUはPowerVR SGX 535である。前機種iPhone 3Gの2倍の容量である256MBのeDRAM搭載によるパフォーマンスの向上やマルチタスキングを可能にしている。アップルは、iPhone 3Gsは前機種の2倍速いとしており数種類のアプリケーションのローディング時間が前機種の半分だったと発表している。
搭載カメラは3メガピクセルでオムニビジョン・テクノロジーズが製造している。より高いメガピクセルカウントに加えて、オートフォーカス、ホワイトバランス、オートマクロ、そしてVGAビデオの録画に対応している。iPhone 3Gsのカメラアプリケーションにはスライダー機能があり写真撮影とビデオ撮影を切り替えることができる。さらにタップでのフォーカス設定も可能で、5倍のデジタルズームで撮影エリアをオートフォーカスしたり（iOS4と5）、エリアを押さえてオートフォーカスと自動露出ロック（iOS5のみ）をしたり、被写体のグリッドライン表示（iOS5のみ）が可能である。
搭載液晶ディスプレイはアップルが設計し、LGエレクトロニクスが生産している。3.5 in (8.9 cm)のタッチスクリーンで163 ppiの解像度は480×320。前機種のディスプレイからの改善点として、より色豊かに表示させるための24ビットカラーエミュレーション（18ビットカラーディスプレイでディザリング）や、ディスプレイ上での指紋を軽減するための疎油性コーティングが挙げられる。またタッチスクリーンは何も装着していない指や複数の指によるマルチタッチを検知するために設計されている。
iPhone 3Gsの新機能は主に処理速度に関して内部に変更がなされており、「iPhone 3Gs」の「s」は「Speed」を意味する。iPhone 3Gsのアップグレードはパフォーマンスに関することが主体だが、いくつかのソフトウェア機能も独占的に導入され、後にiPhone 4にもそれらのすべての機能が導入された。
NLAとはニューロレプト鎮痛(neuroleptanalgesia)またはニューロレプト麻酔(neuroleptanesthesia)の略称である。ニューロレプト鎮痛では神経遮断薬(neuroleptics)と鎮痛薬(analgesics)を併用することにより、患者は周囲に無関心な鎮静状態となるが、意識は消失しない。ニューロレプト麻酔ではニューロレプト鎮痛に亜酸化窒素を併用し意識を消失させる。NLAには原法と変法があり、原法ではドロペリドールとフエンタニルを用いる。変法では原法以外の組み合わせが用いられ、ベンゾジアゼピンと拮抗性鎮痛薬を併用することが多い。NLAの特徴として循環抑制作用が比較的軽度であることがあげられるが、脱水患者などでは注意を要する。また、術後まで鎮静・鎮痛作用が持続することや、術中に指示動作が可能な点、ドロペリドールを用いる際には強力な制吐作用を得られる点があげられる。しかし、欠点として、鎮痛・鎮静レベルを推定することが困難であることや、手術侵襲による血圧上昇・頻脈がある。この麻酔法は薬剤添付文書や教科書には記載が見られるが、2018年現在では原法・変法ともにほとんど施行されることが無くなっている。理由としては、ドロペリドールには半減期が長く、錐体外路症状やQT延長の副作用があること、フェンタニルはレミフェンタニルよりも調節性に劣ること、亜酸化窒素は閉鎖腔の内圧を上昇させること、ベンゾジアゼピン系や拮抗性鎮痛薬は調節性に劣ること、などが挙げられる。しかし、意識下挿管時にはNLAはその呼吸・循環抑制の少なさから、よい適応となる場合がある。