Trong khi Nexus 6 do Motorola sản xuất thì phiên bản mới Nexus 6P là sản phẩm hợp tác giữa Google và Huawei. Tuy được gọi với tên gần giống nhau và mang danh là bản nâng cấp nhưng 6P có triết lý thiết kế hoàn toàn khác biệt. Đây cũng là mẫu điện thoại dòng Nexus đầu tiên sử dụng lớp vỏ bằng kim loại nguyên khối. Các trang công nghệ lớn gọi Nexus 6P là nỗ lực của Huawei để thâm nhập thị trường điện thoại của Mỹ còn Google cũng cậy nhờ sản phẩm này để tăng sự hiện diện tại thị trường đông dân nhất thế giới.

Nexus 6P có màn hình nhỏ hơn thế hệ trước là 5,7 inch so với 6 inch. Máy có độ mỏng 7,3 mm, được nhấn mạnh có cùng kích thước tổng thể với iPhone 6s Plus nhưng màn hình lớn hơn 0,2 inch. Màn hình Amoled trên máy có độ phân giải WQHD 1.440 x 2.560 pixel và chiếm ba phần tư diện tích mặt trước. Pin bên trong có dung lượng 3.500 mAh đi kèm là chip xử lý Qualcomm Snapdragon 810, RAM 3 GB.

Điểm đáng chú ý và gây bất ngờ nhất trên Nexus 6P là việc Google và Huawei rất chú trọng vào camera với việc trang bị cảm biến của Sony độ phân giải 12,3 megapixel. Kích thước điểm ảnh cũng được giới thiệu là lớn nhất trên smartphone hiện nay, vượt qua cả các dòng iPhone. Các tính năng cơ bản khác bao gồm chụp liên tục, quay video chuẩn 4K hay quay video chuyển động chậm.