Phab2Pro's sensorer gör det möjligt att göra känsla av objekt och närbelägna utrymmen, vilket gör att grafik att intelligent läggas till i verkliga vyer.
Moto Z använder magneter för att lägga till valfria hårdvarumoduler i telefonens bakre del, inklusive en högtalare och en projektor.
Analytiker sa att innovationer kan visa sig vara en tuff försäljning.
Det skulle komplicera Lenovos ansträngningar att vända försäljningen av sina egna telefoner och de av Motorola divisionen det köpte från Google för $2,8 miljarder 2014.
"Det finns en känslig balans mellan att vara på den främre kanten och den blödande kanten, och Lenovo kjolar den linjen", säger Ramon Llamas från teknikforskningsföretaget IDC.
"Om dessa produkter visar sig vara en hit - och det är en stor om - då Lenovo framträder som en ledande leverantör.
"Phab2Pro har en hel del löfte, visar omedelbar värdeskapande inom vissa användningsfall. Moto Z är verkligen innovativ, men jag är inte säker på hur mycket konsumenter kan linda sina hjärnor runt modulära enheter. "
Tillkännagivandena gjordes vid ett evenemang i San Francisco, där även böjda smartphone- och tabletprototyper avslöjades.
Lenovo är för närvarande världens sjätte bästsäljande smartphone-maker, enligt IDC, efter att ha blivit överkörd av två andra kinesiska varumärken, Oppo och Vivo i början av året.
Det Peking-baserade företaget rapporterade i maj att det hade svängt till en förlust på $ 128m (Â £ 89m) under sitt senaste räkenskapsår.
Den erkände då att den hade problem med att integrera Motorola.
Phab2Pro är den första enheten som använder Googles Tango-teknik.
Sökbyrån har utvecklat ett system som lägger till djupsensorer och rörelsekameror till de normala fram- och bakobjektiven.
Lenovo föreslog att detta öppnade upp flera möjligheter, bland annat:
En demo på scenen visade sig dock vara problematisk.
Ett spel av virtuella dominos - sett över en utsikt över ett riktigt skrivbord - såg bitarna upprepade gånger frysa delvis genom sin avsedda körning.
Och ett försök att använda sensorerna för att få dimensionerna av en verklig bord tog flera försök att få programvaran att låsa på objektet.
Detta väcker frågor om huruvida tekniken är redo att gå till försäljning som planerat i september.
"I verkligheten kommer du bara att använda ett måttband" kommenterade Ben Wood från CCS Insights konsultverksamhet.
"Det är bara ett klassiskt exempel på en lösning som letar efter ett problem.
"Ja, du kan tänka dig några härliga användningsfall - till exempel en DHL app som skulle låta dig hålla upp ett paket och ge dig dess dimensioner och den ungefärliga kostnaden för att skicka det.
"Men det finns inte ännu, och vad du slutar med är en underväldig mätning demo."
Moto Z introducerar konceptet Moto Mods - snap-on delar som ansluter till baksidan av telefonen via 16 små metall stift.
Exempel på moduler den planerar att erbjuda vid sidan av telefonen inkluderar:
Lenovo sade att det var att arbeta med andra för att skapa nya moduler och uppmanade också utvecklare att skapa mer efter telefonens release senare i sommar.
LG har redan en alternativ modulär telefonlur till försäljning - G5 - och Google arbetar med Project Ara, en design som gör att flera delar kan läggas till på en gång.
De markerar ett brott med en trend som har sett telefontillverkare integrera komponenter så nära varandra som möjligt för att maximera batteriets livslängd och datorkraft.
En branschkollega ifrågasatte överklagandet.
"Konsumenter vill bara inte en annan vara att bära med sig", sade Carolina Milanesi från marknadsforskningsföretaget Creative Strategies.
"När vi väljer att bära något separat tjänar det ett mycket specifikt syfte eller det görs av ett varumärke som vi vill bära eftersom det är det bästa i det segmentet.
"Medan Lenovo pratade om att vilja begränsa kompromisser verkar det som om du fortfarande har en."
Lenovo visade också upp flera konceptenheter vid sin presentation.
Dessa inkluderade en smartphone och surfplatta med flexibla skärmar.
Detta gjorde det möjligt att linda handsetet runt en persons handled så att det inte behövde hållas, och en tablett att vikas på mitten, vilket gör det lättare att använda en hand.
Dessutom visade företaget kort upp en reviderad modell av sina smarta skor.
Det sägs att de Intel processor utrustade skorna kunde spåra bärarens rörelser och kaloribränna.
Företaget sade emellertid inte när någon av dessa skulle kunna säljas.
Motorola's Razr - den tunna flip-telefonen från 2003 - var en ikonisk design, något företaget har försökt replikera sedan dess.
Idag, Motorola - nu en del av Lenovo efter en kort stint ägs av Google - tror Moto Mods kan vara sin nästa design masterstroke. Det gör jag inte.
Byrån har arbetat på en modulär telefon under en tid, och tanken på att byta komponenter är tilltalande - spänna fast en projektor när du behöver det, eller uppsvällda högtalare, kan vara mycket användbart.
Men det finns redan batteripaket där ute. Och Bluetooth-tillbehör som ger dig i stort sett samma funktionalitet. De kanske inte är lika lätta att "snappa", men jag kan inte se det vara tillräckligt för att fresta folk att dumpa det de redan har.
I samma anda, Phab2Pro, smartphone med Tango inbyggd, erbjuder några lovande nya program värt att tänka på, särskilt för detaljhandeln.
Men frågan är inte om Tango är cool. Det är det uppenbarligen. Frågan är om Tango är den typ av funktion som skulle ändra din smartphone köpa val.
Och det är där tekniken är väl kort. Det är en lyx, inte en nödvändighet, och när mot sina billigare rivaler, en Lenovo telefon med Tango kommer aldrig att vara mer tilltalande för massorna än en billigare smartphone från Xiaomi eller ZTE.
Det är därför Lenovo har hoppat av de fem bästa smartphone beslutsfattare i världen.
Lenovo har meddelat två ovanliga smartphones - en modell som använder speciella kameror för att skanna sin omgivning och en handset med valfria snap-on delar.