Pixel sử dụng một khung viền nhôm, với một tấm kính được đặt trên phần có chứa máy ảnh và cảm biến vân tay ở mặt sau, và cổng kết nối USB Type-C. Cả hai đều sử dụng vi xử lý Qualcomm Snapdragon 821, với 4 GB bộ nhớ RAM. Hai mẫu điện thoại có các kích thước màn hình khác nhau; phiên bản gốc và phiên bản XL lần lượt sở hữu màn hình 5 in (130 mm) 1080p AMOLED và 5,5 in (140 mm) 1440p AMOLED. Cả hai đều có các phiên bản bộ nhớ trong với dung lượng 32 và 128 GB.[4]

Pixel giới thiệu một máy ảnh sau độ phân giải 12 megapixel, với khẩu độ f/2.0, và sử dụng bộ cảm biển Sony IMX378 với 1,55 μm pixel. Máy ảnh sử dụng một hệ thống ổn định hình ảnh kỹ thuật số dựa trên cảm biến chuyển động và con quay hồi chuyển của điện thoại. Để cải thiện tốc độ chụp, 30 khung hình sẽ được chụp liên tục trong mỗi giây khi máy ảnh được kích hoạt. Khi chụp ảnh, 10 trong số các khung hình này sẽ được ghép lại để tạo một hình duy nhất.[9]

Thiết bị được cài đặt sẵn Android 7.1 "Nougat".[5] Nó được tích hợp với Google Assistant, và cũng tích hợp các dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật trực tiếp ngay trong hệ điều hành. Tương tự như các thiết bị Nexus, nó sẽ nhận các bản cập nhật Android trực tiếp từ Google.[4][10] Pixel cũng hỗ trợ hệ thống thực tế ảo Google Daydream.[4] Tất cả các điện thoại thông minh Pixel sẽ được hỗ trợ sao lưu ảnh có đầy đủ độ phân giải không giới hạn trên Google Photos.[4][9]