O Xbox usa um processador Intel Pentium III Coppermine customizado para ser usado no Xbox, de 64 bits e clock com 733 MHz. Ela possui um barramento frontal de 64 MHz GTL + de 64 bits (FSB) com uma largura de banda de 1,06 GB / s. O sistema possui memória SDRAM DDR de 64 MB, com uma largura de banda de 6,4 GB / s, dos quais 1,06 GB / s são usados pela CPU e 5,34 GB / s são compartilhados pelo resto do sistema.
A sua GPU é uma Nvidia GeForce NV2A 256-BIT com clock de 233 MHz e barramento de 128 Bits. Possui uma performance em ponto flutuante de 20 GFLOPS, capaz de cálculos de geometria para até um teórico de 115 milhões de vértices/segundo. Tem um preenchimento máximo de 932 megapixels/segundo, capaz de renderizar um teórico de 29 milhões de triângulos de 32 pixels/segundo. Com limitações de largura de banda, tem um preenchimento realista de 250-700 megapixels/segundo, com Z-buffering, nebulização, alfa-mistura e mapeamento de textura, dando-lhe um desempenho real de 7.8-21 milhões de triângulos de 32 pixels/segundo.
O Xbox foi o primeiro console a usar um disco rígido interno de PC, usado principalmente para armazenar jogos e arquivos baixados da Xbox Live e o progresso de jogos. Isso eliminou a necessidade de cartões de memória separados (embora alguns consoles lançados antes, como o Amiga CD32, que usava memória flash interna e outros como o TurboGrafx-CD, o Sega CD e o Sega Saturn, usavam memória interna antes de 2001). Um usuário pode extrair músicas de CDs para o disco rígido e utilizá-las como trilha sonora personalizada em alguns jogos.
Esse foi o primeiro console a utilizar a tecnologia Dolby Interactive Content-Encoding, que permite a reprodução de sons Dolby Digital em tempo real. Antes do Xbox os consoles só conseguiam reproduzir sons com essa qualidade em cut scenes não interativas, como as CGs.
Por ter componentes de PC, ele é muito maior e mais pesado que seus concorrentes. Grande parte é devido ao leitor de DVD-ROM que possui uma bandeja volumosa e ao disco rígido de 3,5 polegadas de tamanho. O Xbox também foi pioneiro em recursos de segurança, com cabos de separação para os controles para evitar que o console seja puxado da superfície sobre a qual ele repousa.
Várias revisões internas de hardware foram feitas em uma batalha para desencorajar hackers que desenvolviam continuamente modchips, reduzir os custos de fabricação e tornar a unidade de DVD-ROM mais confiável (algumas das primeiras unidades deram erros de leitura de disco, devido às unidades de DVD-ROM Thomson usadas). As unidades posteriores que usaram as unidades de DVD-ROM Thomson TGM-600 e as unidades de DVD-ROM da Philips VAD6011 ainda eram vulneráveis a falhas que tornavam os consoles incapazes de ler discos mais novos ou causaram uma parada no console com um código de erro geralmente indicando uma falha de identificação PIO/DMA, respectivamente. Essas unidades não foram cobertas pela garantia estendida.
Em 2002, a Microsoft e a Nvidia travaram uma batalha por causa de uma disputa relativa ao preço dos chips da Nvidia para o Xbox. A declaração da Nvidia com a SEC indicou que a Microsoft estava buscando um desconto de US$ 13 milhões em remessas para o ano fiscal da NVIDIA em 2002. A Microsoft alegou violações do contrato que as duas empresas estabeleceram, solicitou preços reduzidos e buscou garantir que a Nvidia atinja as ordens de chips da Microsoft sem limites em quantidade. O assunto foi resolvido em particular em 6 de fevereiro de 2003.
O Xbox incluiu na caixa um cabo AV padrão (cabo de video composto) que fornece vídeo composto e áudio mono ou estéreo para TVs equipadas com entradas RCA. Os consoles europeus também incluíram um conector RCA para o conversor SCART, bem como o cabo AV padrão.
Um cartão de memória removível de estado sólido de 8 MB pode ser conectado aos controles, no qual pode salvar o progresso dos jogos e transferir para o disco rígido. A maioria dos jogos do Xbox podem ter seus saves copiados para o cartão de memória e movidos para outro console, mas alguns saves estão assinados digitalmente. Também é possível salvar uma conta Xbox Live em uma unidade de memória, para simplificar sua utilização em mais de um console.
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