Nuovo design, nuovo schermo, nuovo hardware
Per aumentare il numero di pixel senza compromettere la compatibilità delle applicazioni, Apple raddoppiò la risoluzione tanto orizzontalmente quanto verticalmente, mantenendo la diagonale da 3,5 pollici. Si passò quindi da 480x320 a 960x640 pixel, e da 163 a 326 PPI. Era una densità abbastanza alta, secondo Apple, che a una normale distanza di visualizzazione era impossibile vedere i singoli pixel. Coniarono il nome Retina Display.
Lo schermo s'inseriva in un design completamente nuovo, che ricordava un po' Braun e un po' Leica, i cui canoni estetici erano molto amati dal vice presidente Apple per il design, Jony Ive. Il telefono era piatto, protetto da vetro rinforzato chimicamente (silicato di alluminio) davanti e dietro, e circondato da una cornice in acciaio stainless. Era il 24% più sottile rispetto al 3GS e sarebbe stato disponibile in nero e in bianco, ma questa seconda versione solo in un secondo momento.
Il modulo cellulare era pressoché lo stesso, mentre per la SIM Apple decise di passare al più compatto formato microSIM, riducendone così l'ingombro. Anche il Bluetooth era lo stesso, mentre il Wi-Fi era un 802.11 b/g/n, sempre a 2,4 GHz. L'aspetto determinante tuttavia non erano i moduli radio in sé, quanto piuttosto la cornice di acciaio che integrava le antenne. Bluetooth in alto a sinistra, Wi-Fi e aGPS, e poi UMTS/HSPA. Steve Jobs affermò che nessuno aveva mai fatto qualcosa del genere.
Il model number era aumentato di un numero intero, a indicare un processore di nuova generazione. Si trattava dell'Apple A4, progettato dalla stessa azienda a partire dall'architettura ARM Cortex A8. Funzionava a 800 MHz e usava la grafica PowerVR SGX535. Non era rivoluzionario, ma avrebbe posto la base per prodotti molto più innovativi negli anni seguenti.
Quanto alla memoria interna, c'erano le stesse opzioni da 16 o 32 GB, ma la RAM passava a 512 MB. Comunque era appena sufficiente per gestire tutti quei pixel in più. La capacità della batteria aumentava a 1.420 mAh, il che permise di accrescere un po' anche l'autonomia nonostante i consumi maggiori dello schermo.
Fu aggiunto anche un secondo microfono per la cancellazione del rumore e una migliore qualità audio in conversazione. Fu aggiunto anche un nuovo sensore, un giroscopio a 3 assi per un più preciso riconoscimento dei movimenti. Insieme agli altri sensori, il nuovo giroscopio poteva riconoscere il movimento su sei assi, un grande salto avanti nei controlli di precisione, soprattutto con i videogiochi.
La fotocamera posteriore dell'iPhone 4S aveva un sensore da 5 megapixel e poteva registrare video a 720p, ma restava la stessa dimensione da 1,75 micropixel. Era stato aggiunto anche un sensore retroilluminato (BSI) e un flash LED. Inoltre, per la prima volta Apple inseriva sull'iPhone una videocamera frontale – con risoluzione VGA. Un dettaglio che, tra le altre cose, permise ad Apple dìintrodurre le chiamate video con FaceTime. Ancora una volta il prezzo restava lo stesso del modello precedente.