小米6也搭載了流行的後置雙攝像頭方案，但不是黑白＋彩色，而是類似iPhone 7的廣角＋長焦，包括一顆四軸光學防抖廣角攝像頭、一顆全新長焦攝像頭，均為1200萬圖元。
小米表示，這是第一次在5.15寸手機上實現光學變焦雙攝，可將遠處景物無損地拉近拍攝，號稱能帶來單反般的背景虛化效果，還有雙目立體視覺和深度學習演算法，非常適合拍攝人像，號稱“甚至連眼部睫毛放大後都分毫畢現”。
背景虛化十分到位，更關鍵的是背景和人像完美區分，即便是飄揚的亂髮都沒有被錯誤虛化。
小米6的人像模式中還加入了智慧美顏3.0，可通過全臉上百個定位點，準確記錄面部資訊，在自然微美顏的同時保證五官的立體清晰，同時結合背景虛化。
2倍光學無損變焦，可以將圖像放大一倍而無任何損失，另外還支持10倍數碼變焦。
值得一提的是，2光學變焦模式下，小米6依然支援全景模式。
四軸光學防抖使用手機內陀螺儀與加速度感測器，高速檢測8個方向的抖動，即時驅動微型馬達調整姿態，補償抖動。陽光下、運動中或是弱光環境，都能穩定拍照。