Hardware OnePlus 3 napędzany jest przez czterordzeniowy procesor Qualcomm Snapdragon 820 taktowany zegarem 2,15GHz wykonanym w procesie technologicznym 14nm wraz z 6 GB pamięci RAM. Urządzenie wyposażone jest w niewymienną baterię o pojemności 3000 mAh. Z tyłu telefonu znajduje się aparat o rozdzielczości 16 Mpx, jasności obiektywu f/2.0, z sensorem Sony IMX 298 z optyczną i elektroniczną stabilizacją obrazu. Aparat jest w stanie nagrywać filmy w rozdzielczości 4K przy 30fps, 720p przy 120fps i po aktualizacji z dnia 24 listopada 2016 1080p przy 60fps. Przedni aparat charakteryzuje się rozdzielczością 8 MP, obiektywem o jasności f/2.0 i sensorem Sony IMX179.
Dash Charge Nowością wykorzystaną w OnePlus 3 jest technologia szybkiego ładowania Dash Charge. Rozwiązanie opracowane przez OnePlus na podstawie technologii firmy VOOC Oppo. Wymogiem dla działania tej technologii jest zastosowanie odpowiedniej ładowarki i odpowiedniego przewodu USB-C. Według firmy OnePlus w ciągu 30 minut bateria jest w stanie naładować się od 0 do co najmniej 60%.