Die Hauptkamera auf der Rückseite hat 12,3 Megapixel Auflösung, einen Autofokus mit Infrarot-Laser-Unterstützung, Doppelblitz und eine 4K-Videofunktion. Auf der Frontseite befindet sich eine 5 Megapixel Kamera für Selfies und Videotelefonate. Bei der CPU handelt es sich um einen Qualcomm Snapdragon 808 Hexacore-Prozessor mit 1,8 Gigahertz Taktfrequenz pro Kern, der von 2 GB RAM und einem Adreno 418 Grafikchip unterstützt wird.
Der interne Flashspeicher von 16 bzw. 32 GB kann nicht erweitert werden. Zur Soundwiedergabe steht ein Frontlautsprecher zur Verfügung und drei Mikrofone dienen für Audioaufnahmen. Der Akku hat 2700 Milliamperestunden Kapazität und bis zu ein Tag Laufzeit. Nach zehn Minuten Ladezeit kann das Google Nexus 5X bereits für 3,8 Stunden genutzt werden und resultiert in der eingesetzten Schnell-Ladetechnik.
Die Kommunikationsstandards UMTS, LTE, WLAN, GSM, GPRS und HSDPA werden unterstützt. Mobile Navigation steht per GPS und Glonass bereit. Als Betriebssystem läuft Google Android 6.0 Marshmallow auf dem Smartphone. Der Käufer kann beim Google Nexus 5X bezüglich Gehäusefarben zwischen Eisblau, Quarz und Anthrazit wählen.