So với iPhone 4 chỉ sử dụng vi xử lý A4 (lõi đơn), iPhone 4S được trang bị vi xử lý A5 (lõi kép) thế hệ mới, mà theo Apple cho khả năng xử lý nhanh gấp 2 lần so với iPhone 4.
Cũng như trước đây, Apple luôn giữ kín thống số về dung lượng RAM trên sản phẩm của mình, tuy nhiên, theo nhiều trang công nghệ khẳng định iPhone 4S cũng chỉ được trang bị 512MB bộ nhớ RAM như trên iPhone 4.
Trong đoạn clip so sánh dưới đây, cả 2 sản phẩm đuề được cài đặt iOS 5 mới nhất và đều hoạt động trong điều kiện tương tự nhau. Không chỉ thể hiện sự vượt trội khi kích hoạt các ứng dụng, iPhone 4S còn cho thấy sự vượt trội tốc độ khi duyệt web, mặc dù cả 2 đang sử dụng chung mạng wifi.
Xem video so sánh tốc độ giữa iPhone 4S và iPhone 4: