Thiết kế của Xperia Z5 đã có một chút thay đổi so với phiên bản trước, bao gồm kính mờ ở mặt sau và khung kim loại ở mặt bên. Chúng cũng có thiết kế chống nước, một tính năng phổ biến mà Sony mang lại trên nhiều sản phẩm của hãng gần đây. Nút Home ở phía bên của máy cũng có có chức năng như một bộ quét dấu vân tay tương tự Apple Touch ID chứ không phải là thao tác vuốt (swipe) như Samsung Galaxy S6.

Sony tuyên bố Xperia Z5 là chiếc smartphone có khả năng tự động lấy nét nhanh nhất thế giới với tốc độ 0,03 giây. Nó cũng sở hữu camera có cảm biến 23-megapixel lớn hơn, được Sony quảng cáo sẽ mang đến chức năng zoom số chất lượng cao. Hệ thống camera trên Xperia Z5 cũng hỗ trợ khả năng ổn định hình ảnh quang học cũng như bổ sung thêm nhiều lựa chọn như quay video chuyển động chậm (slow motion).

Nút nguồn trang bị tính năng quét dấu vân tay.

Xperia Z5 được trang bị chíp 8 nhân Qualcomm Snapdragon 810, RAM 3 GB, pin dung lượng 3.430 mAh hứa hẹn cho thời gian sử dụng 2 ngày.

Bộ ba smartphone mới của Sony đều đi kèm với bộ nhớ trong thấp nhất là 32 GB có thể mở rộng qua khe cắm thẻ nhớ microSD, trong đó Xperia Z5 Premium có thể mở rộng thêm đến 200 GB. Z5 Premium còn là smartphone đầu tiên trên thế giới có màn hình hiển thị 4K, mật độ điểm ảnh 800ppi trên kích thước 5,5 inch.

Xperia Z5 chạy trên phiên bản Android 5.1 Lollipop. Sony sẽ tiếp tục sử dụng giao diện người dùng Xperia UI riêng với thiết kế giống với những gì có trên Xperia Z+.

Bộ đôi Xperia Z5 và Z5 Compact sẽ được phát hành vào tháng 10-2015, trong khi Xperia Z5 Premium sẽ có mặt muột hơn một chút là vào tháng 11-2015. Cả ba smartphone đều ccung cấp các phiên bản tùy chọn 1 SIM hoặc 2 SIM, tuy nhiên giá bán của chúng vẫn chưa được công bố trong sự kiện.