35mmフルサイズ相当のニコンFXフォーマットCMOSセンサーを採用。有効画素数は1,623万とD4に近いが、新開発の異なる撮像素子を搭載する。記録メディアはD4と同様、XQDメモリーカードとCFを採用する。画素数をRAWの1/4とし、ファイルサイズが約1/2になるという「RAWサイズS」(12bit、非圧縮)を新たに追加した。
AFは、D4のアドバンストマルチCAM3500FXオートフォーカスセンサーモジュールをベースに、AFアルゴリズムを高次元で調整。予測しにくい動きや、コントラストの低い被写体でもAFが可能としている。加えて、高速で接近もしくは遠ざかるような動きの激しい被写体、団体スポーツで狙った選手の手前を別の選手が横切るようなシーンでも、被写体を高精度で判定して追従し続けるという。