Внутри Pixel Watch 3 используется процессор Snapdragon W5+ Gen 1 для носимых устройств, а также набор сенсоров, включая датчики для считывания сердцебиения, ЭКГ, уровня насыщения крови кислородом, термометр и GPS. В составе часов также имеется чип с поддержкой сверхширокополосной связи UWB, который позволяет им находить и отслеживать другие устройства с поддержкой UWB точнее, чем при помощи Bluetooth. С помощью часов также можно открывать автомобиль, если последний поддерживает такую функцию.

Младшая 41-мм модель Pixel Watch 3 оснащена экраном 1,2-дюйма, c пиковой яркостью 2000 кд/м2 и частотой обновления от 1 до 60 Гц. Модель Pixel Watch 3 в корпусе 41 мм работает от батареи на 310 мА·ч. Google обещает, что Pixel Watch 3 проработают без подзарядки до 24 часов при постоянно включённом экране с Always On Display. В режиме экономии энергии заряда хватит до 36 часов.

Pixel Watch 3 получили поддержку Bluetooth LE Audio — энергоэффективного аудио протокола Bluetooth для прослушивания музыки. С помощью часов можно управлять камерами смартфона, получить доступ к камере Nest Cam или дверному звонку Nest Doorbell, а также использовать навигацию Google Maps в автономном режиме.