小米9配备了全新设计的音频子系统，不仅在音量和音质上有了显著的提升。在硬件方面，小米9采用了目前业内最大的超线性单元扬声器及高电压Smart PA，实现了迄今为止小米手机中最大的外放响度。此外，还搭配了Bass材料的等效0.9cc大体积后腔设计，使得小米9的外放声音更加浑厚饱满。在软件算法上，新增的Mi Sound自研音效对视频、游戏等应用音频需求进行了深度优化调校，同时低延迟耳返算法也让小米9在使用K歌App时体验更佳。
小米9的超高电压Smart PA技术是其响度大幅提升的关键。在Android系统中，音频系统的架构中，运放（运算放大器，简称运放或功放，即PA）和音频响度关系最为密切。小米9采用超高电压Smart PA搭配独立散热，通过算法动态调整输出并驱动扬声器，确保扬声器长时间内工作在最大的平均功率下，从而实现更佳的音质以及响度。
在扬声器本体上，小米9采用了目前业内最大的1217 SLS超线性扬声器单元。超线性扬声器具备定心支片结构，能够推动振膜达到比普通单元更大的振动幅度，同时避免振膜偏振，从而使得音量音质更好。而在音腔设计上，小米9利用Bass材料，使得音腔等效体积达到超大0.9cc，让外放声音低频部分浑厚而饱满，从而拥有更好的听感。
在软件部分，小米9还引入了Mi Sound自研音效，针对用户最常使用的视频、游戏等音频需求进行了针对性深度优化调校。调音工程师使用专业音乐制作和混音的音频工作站软件进行了数月上百次实时调音，并通过类似专业录音棚的混音和总线处理，使得手机外放音乐表现更加清晰自然。
此外，小米9在使用全民K歌及唱吧App时还可以智能开启低延迟耳返算法，通过创造全新的音频反馈路径，绕过App的Ringbus缓冲区，小米9大幅减少了Android系统接收人声再输出混响的音频延迟，使用手机K歌时体验更上一层楼。
小米9还具备大音量模式，在接听电话时如果音量已经满格依然感觉听不清，可以通过再向上按一次音量键启动超级听筒音量模式，音量继续提升2dB左右，保证使用者即使处于极度嘈杂的环境如早晚高峰地铁中，也能听清来电内容。