Thiết bị có màn hình IPS LCD 5.2inch với độ phân giải 1080p cùng mật độ điểm ảnh 424ppi. Màn hình máy được thiết kế với lớp kính Gorilla Glass 3.

Google đã ra mắt chiếc Nexus 5X này cùng với hệ điều hành Android 6.0 Marshmallow. Mẫu máy do LG sản xuất có chip Snapdragon 808 6 lõi, RAM 2GB và bộ xử lý đồ hoạ Adreno 418. Người dùng chỉ có hai lựa chọn bộ nhớ trong là phiên bản 16GB hoặc 32GB và không thể tăng dung lượng bộ nhớ máy.
Ở mặt sau, chiếc Nexus 5X được trang bị camera chính 12.3MP với độ mở là f/2.0 và kích thước điểm ảnh là 1.55 micron. Tuy không có khả năng chống rung quang học nhưng thiết bị vẫn có thể quay được video chất lượng 2160p. LG đã trang bị cho chiếc smartphone công nghệ tự động lấy nét sử dụng tia hồng ngoại và thiết lập flash kép phổ rộng.

Với kích thước 147 x 72.6 x 7.9m, chiếc Nexus 5X sẽ mỏng hơn so với phiên bản trước. Thiết bị có khối lượng 136 gam, nặng hơn so với chiếc Nexus 5 (2013) có khối lượng là 130 gam. Sự chênh lệch về khối lượng này có lẽ là do cập nhật của bộ cảm biến vân tay và pin cỡ lớn với dung lượng 2700mAh (pin của Nexus 5 là 2300mAh). Ở phía dưới, thiết bị có cổng cắm microUSB Type-C thế hệ mới.
Các khả năng kết nối của máy bao gồm Wi-Fi 802.11ac (2x2 MIMO), NFC, Bluetooth 4.2 và GPS/GLONASS. Loa trước được kết hợp cả 3 micro (micro trước, trên và dưới).

Chiếc Nexus 5X này bắt đầu nhận đặt hàng từ ngày 29/9. Tại Mỹ, Anh, Hàn Quốc, Nhật Bản và Ireland, người tiêu dùng có thể đặt hàng phiên bản 16GB của thiết bị với giá 379.99 USD (tương đương 8.300.000đ).