Основная статья: iOS

Операционную систему iOS (до 7 июня 2010 года использовалось название iPhone OS[42]), как и другие операционные системы смартфонов, часто называют[80][81][82] «прошивкой». В iPhone установлена модифицированная версия Mac OS X, представляющая собой оригинальную операционную систему — «iOS»[83]. Аналогичная система установлена в плеере iPod touch и планшете iPad с той лишь разницей, что из интерфейса удалены функции телефона и отправки SMS. Обновление на ключевые версии, например, с 1.0 на 2.0, с 2.0 на 3.0, для плееров iPod touch платное (в отличие от iPhone). Переход на версию операционной системы iOS 4 для iPod бесплатен.
Одним из главных недостатков iOS с момента её появления было отсутствие управления многозадачностью из интерфейса пользователя (однако с помощью стороннего ПО, требующего джейлбрейка, пользователь мог выполнять программы в фоновом режиме, так как ядро iPhone OS поддерживает многозадачность). В iOS версии 4 этот недостаток был исправлен[42]. Управление многозадачностью было добавлено в интерфейс пользователя с использованием аппаратной кнопки на передней панели телефона для вывода списка выполняющихся приложений и переключения между ними. Для приложений, работающих в фоновом режиме, выделяется наименьшее количество ресурсов, благодаря чему увеличивается время работы телефона от аккумулятора. Для реализации многозадачности в сторонних приложениях была введена дополнительная функциональность для разработчиков, чтобы созданные ими приложения могли выполнять только «разрешённые» действия в фоновом режиме.
Кроме многозадачности, новая версия операционной системы получила более 100 новых функций[84], включая возможность создания папок и ярлыков на рабочем столе, поддержку беспроводной клавиатуры, возможность изменения фона рабочего стола (что в ранних версиях было возможным только при использовании сторонних программ). iOS 4 также обеспечивает кроссплатформенную поддержку всех устройств от Apple и интеграцию с iTunes[85]. Стоит отметить, что в аппаратах iPhone 3G после обновления операционной системы до iOS 4 функциональность будет в значительной степени ограничена, так, например, многозадачность в iPhone 3G без джейлбрейка отсутствует[86].
Возможность обновления до версии 4.0 получили iPhone 3GS и iPod Touch третьего поколения. Позднее, осенью 2010 года, операционная система стала доступной для владельцев iPad. С выходом iOS 4.2.1 было объявлено о переводе сервиса Find my iPhone в разряд бесплатных приложений для iPhone 4, iPad и будущих поколений[87][88].
В июне 2013 года в ходе WWDC была представлена сильно переработанная в плане дизайна и программно новая версия — iOS 7, став одной из самых спорных в истории iPhone.
Текущая версия операционной системы — 11.3.1 (представлена 19 сентября 2017 года). Бета версия — IOS 12 Beta.