Để đạt được độ mỏng 5,2 mm, Moto Z sử dụng tấm nền AMOLED cho màn hình kích thước 5,5 inch độ phân giải QHD. Màn hình thể hiện màu sắc rực rỡ và khá nịnh mắt. Cảm biến vân tay nằm ở nút Home, nhưng 3 phím điều hướng cơ bản của Android lại được đặt bên trong khá bất tiện khi người dùng thường bấm nhầm vào cảm biến vân tay để về Home. Đi kèm với mẫu smartphone mỏng nhất của Lenovo là bộ phụ kiện gồm sạc, cáp, tai nghe và một bộ vỏ ốp bằng gỗ.

Phía sau là camera 13 megapixel có ống kính khẩu độ f/1.8 hỗ trợ chống rung quang học với chế độ chụp chỉnh tay cho phép phơi sáng 4 giây, máy chụp và lấy nét nhanh ngay cả trong điều kiện thiếu sáng, hình ảnh thể hiện màu sắc trung thực và ít nhiễu. Do máy mỏng nên camera lồi khá nhiều. Camera trước độ phân giải 5 megapixel và có hỗ trợ đèn flash rời. Phía dưới có các chân cắm để gắn phụ kiện nâng cấp phần cứng của dòng Moto Z. Mặt lưng được làm bóng với các đường kẻ ngang đẹp mắt nhưng lại dễ bám vần tay.

Phím bấm cứng là nút nguồn và tăng giảm âm lượng có kích thước nhỏ và giống nhau, tuy nhiên, phím nguồn được làm dạng sần nên không bị nhầm lẫn. Với độ mỏng 5,2 mm thì Moto Z là smartphone cao cấp mỏng nhất hiện nay trên thị trường khi so với Galaxy S7 hay iPhone 7. Hiện tại trên thị trường Việt Nam, chỉ có các model tầm trung từ Oppo, Gionee và Vivo là mỏng hơn so với Moto Z.

Vỏ máy được làm bằng thép không gỉ với chất lượng hoàn thiện tốt. Triết lý của Lenovo là làm mỏng để khi gắn phụ kiện nâng cấp máy sẽ không quá dày, nên nếu sử dụng riêng, Moto Z không cho cảm giác cầm dễ chịu. Người dùng nên sử dụng ốp lưng đi kèm hoặc các phụ kiện nâng cấp phần cứng.

Moto Z hỗ trợ 2 sim 2 sóng và chạy Android 6 có thể nâng cấp lên Android 7 trong thời gian tới. Phần cứng của máy thuộc hàng mạnh nhất hiện nay, tương đương với HTC 10, Samsung Galaxy S7 với chip xử lý Snapdragon 820, RAM 4 GB nhưng có bộ nhớ trong lớn hơn lên đến 64 GB có thể mở rộng bằng thẻ nhớ dung lượng tối đa 2 TB.

Máy sử dụng cổng kết nối USB Type C, do quá mỏng, Lenovo đã bỏ đi giắc cắm 3,5 mm và trang bị một cổng chuyển từ USB Type C sang 3,5 mm đi kèm giống như iPhone 7 và 7 Plus sử dụng một cổng chuyển từ Lightning qua 3,5 mm. Do thiết kế mỏng, Moto Z chỉ có pin dung lượng 2.600 mAh thấp so với mức chung hiện nay, bù lại máy được trang bị công nghệ sạc nhanh Turbo Power.

Điểm độc đáo của dòng sản phẩm Moto Z là khả năng nâng cấp phần cứng với các phụ kiện được gọi là Moto Mods bao gồm Hasselblad True Zoom, JBL Soundboost, Insta-share Projector, Power Pack.

Hasselblad True Zoom là thiết bị do hãng máy ảnh nổi tiếng Hasselblad sản xuất dành riêng cho Moto Z, khi gắn vào Moto Z trở thành kính ngắm cho thiết bị này. Phần cứng của True Zoom gồm một ống kính có khả năng zoom quang 10x và cảm biến 12 megapixel. Chất lượng hình ảnh của máy không hề thua kém các máy ảnh compact cao cấp hiện nay.

Insta-share Projector là một chiếc máy chiếu di động phát hình ảnh chiếu ra từ Moto Z ngay sau khi người dùng bấm nút nguồn. Kích thước màn chiếu có thể lên đến 70 inch.