Được trang bị bộ vi xử lí Exynos 5 Octa 8 nhân mạnh mẽ gồm 2 CPU Cortex A15 4 nhân tốc độ 1,6 GHz và Cortex A7 tốc độ 1,2 GHz. Samsung Galaxy S4 sẽ mang đến cho người dùng một hiệu suất vận hành vô cùng trơn tru và mượt mà nhưng vẫn đảm bảo tiết kiệm điện năng tiêu thụ đến mức tối đa vì bên trong con chip này thực chất là bốn nhân ARM Cortex-A15 dành cho các tác vụ nặng, và bốn nhân Cortex-A7 để giải quyết những chuyện nhẹ nhàng hơn, giúp cân bằng giữa thời lượng dùng pin và hiệu năng cho thiết bị.
Hơn nữa Exynos 5 Octa còn có khả năng xử lí hình ảnh 3D nhanh hơn gấp đôi so với các vi xử lí di động đi trước mà điển hình là Exynos 4 Quad trên người tiền nhiệm Galaxy S3. Chính vì vậy việc trải nghiệm chơi game cấu hình cao, hoặc tận hưởng các tính năng giải trí sẽ trở nên tuyệt vời hơn bao giờ hết trên Samsung galaxy S4.
Ngay khi ra mắt, Samsung Galaxy S4 đã được tích hợp hệ điều hành Android mới nhất phiên bản 4.2.2 Jelly Bean. Hệ điều hành phiên bản mới với nhiều tính năng mới hấp dẫn hơn, giúp người dùng quản lý tài nguyên hiệu quả và bảo mật cao hơn. Ví dụ như có thể sử dụng nhiều tài khoản người dùng, mỗi tài khoản sẽ là một thiết lập hay tài nguyên khác nhau (như người dùng Windows). Hay như tính năng dự đoán từ cho bàn phím ảo, nhập liệu bằng giọng nói cũng chính xác hơn…
Với dung lượng pin 2600mAh cùng những tinh chỉnh tối ưu năng lượng về phần cứng và phần mềm có thể giúp S4 duy trì thời lượng sử dụng ở mức bình thường khoảng 2 ngày. Ở chế độ xem video, máy có thể đạt được 12 tiếng xem liên tục. Đây không phải là dung lượng khủng trong thời điểm này những nó cũng có thể được xem là dủ để dùng và trải nghiệm ứng dụng của máy.
