和iPhone 4相比，iPhone 4S在外观方面没有过多变化，但天线设计有所更改。iPhone 4S在iPhone 4基础上对配置进行了升级，配备A5双核处理器及双核显示核心，CPU速度是iPhone 4的两倍，图形性能则是iPhone 4的7倍。iPhone 4S电池续航能力提升。该款手机在3G网络的通话时长能够达到8个小时，上网时间达到6个小时，观看10小时的视频，收听40小时的音乐。
iPhone 4S支持HSDPA网络，下载速度可达14.4Mbps，iPhone 4拥有WCDMA/GSM和CDMA2000/CDMA两个版本，iPhone 4S则同时支持GSM和CDMA。此外，iPhone 4S配备了800万像素背照式摄像头，光线通过率提高73%，最大光圈为F2.4，可拍摄3264×2448像素图像，结合iOS对拍照功能的增强，拍照效果可与一般卡片机媲美，而此前iPhone 4一直是Flickr上最受欢迎的拍照设备。此外iPhone 4S的摄像头还支持1080p高清视频的录制，并具有画面稳定系统和实时消噪功能。
iPhone 4S搭载苹果最新的iOS 5操作系统，支持iCloud云服务，最大的特色在于语音控制，基于Siri的语音系统，iPhone 4S将成为更加智能的语音识别设备，可以和iPhone 4S通过语音控制实现天气、短信、地图查找等功能的交互。语音控制(Voice Command)功能可接受预定的语音指令，包括中文(汉语)，并可识别中文联络人。 在 iOS 5 下，Siri 尚未支持汉语，台湾销售的 iPhone 4S 所默认启动的是 Voice Command 而非 Siri。 如要使用 Siri 需自行更改设置。设置应打开网络。