小米4最高可以升级到Android60Marshmallow版本。这是小米官方最后一次为小米4提供的系统更新，后续版本的Android系统将不会得到支持和升级。虽然小米4无法获得更高的Android系统更新，但在性能和功能方面，Android60已经可以满足绝大部分用户的需求。
2014年12月出厂的小米4都是自带的稳定版MIUI6系统。
MIUI（米柚）是小米科技旗下基于Android进行深度优化、定制、开发的第三方极受手机发烧友欢迎的Android系统ROM，专为中国人习惯设计，全面改进原生体验。能够带给国内用户更为贴心的Android智能手机体验。从2010年8月16日首个内测版发布至今，MIUI目前已经拥有国内外7000万的发烧友用户，享誉中国、英国、德国、西班牙、意大利、澳大利亚、美国、俄罗斯、荷兰、瑞士、巴西、印度等近20个国家，小米公司2014年8月16日在北京798艺术区正式发布了旗下最新的MIUI 6 系统，界面采用了多彩扁平化设计风格，运用色彩衬托内容，通知栏可随应用通知或应用背景变色；MIUI 6简化了图标设计，让系统图标都具有极强的辨识度。此外，MIUI 6还采用色彩衬托内容，通知栏可随应用通知或应用背景变色，使得整个手机界面非常和谐。同时，MIUI 6还加入了多种全新的动画特效。
