　同じくFXフォーマットを採用する「D3」から倍以上の高画素化が図られているが（D3は有効12.1メガ）、画素特性の最適化によって光量を十分に確保し、高いS/N比と広いダイナミックレンジを獲得したという。常用感度はISO100～1600で、ISO50相当までの減感、ISO6400までの増感も行える。

　AFシステムはD3と同じく、AFポイントを持つ「マルチCAM3500FXオートフォーカスセンサーモジュール」を搭載。中央部の15点のクロスセンサーを含む、51点すべてのフォーカスポイントは開放F値5.6およびそれより明るいすべてのAF NIKKORレンズで有効となる。また、被写体の色や輝度も認識して露出制御に利用する1005分割RGBセンサーも搭載しており、被写体や撮影状況をカメラが撮影前に認識し、AF／AE／i-TTL-BL調光／AWBの制御へ利用する。

　包括的画像処理コンセプト「EXPEED」も導入されており、新製品に最適化された処理プロセスによって、高画質化／処理速度高速化／低消費電力化を実現した。起動時間はD3と同じ0.12秒、レリーズタイムラグも同様の約0.04秒を実現している。連写スピードは、FXフォーマットおよび5：4撮影時は最大約5コマ／秒、DXフォーマット撮影時は約7コマ／秒。UDMAにも対応しており、FXフォーマットで撮影された約7.1メガ（JPEG／画像サイズL／画質モードNORMAL）のデータを毎秒約5コマ以上の速度で記録できる。

　ライブビューも用意。TTL位相差検出方式AFでピント合わせを行う「手持ち撮影」と、任意のポイントでコントラストAFによるピント合わせが行える「三脚撮影」と2つのライブビューモードを用意する。「三脚撮影」時には、別売ソフト「Camera Control Pro 2」でPCの画面上からピント合わせなどが調節できる。背面液晶のサイズは3型で、解像度はVGA。

AF-S NIKKOR 24-70mm F2.8G ED装着時

　白トビ／黒ツブレを軽減する「アクティブD-ライティング」は、オート／より強め／強め／標準／弱め／しないを選択可能。「ピクチャーコントロールシステム」は、「スタンダード」、「ニュートラル」、「ビビッド」「モノクローム」の4つが用意されており、「ポートレート」「風景」「D2XMODE?」「D2XMODE?」「D2XMODE?」の4つもダウンロードすることで利用できる。

　ボディカバーおよびシャシー、ミラーボックスにはマグネシウム合金を使用、各接合部にはOリングなどでシーリングを施すことで高い防じん防水性を獲得している。水準器も内蔵しており、傾きの状態を背面液晶および上面液晶、ファインダー内で確認できる。メモリーカードスロットはCFカードスロットを2基搭載しており、2枚のカードへ順番に保存する「順次記録」、2枚のカードへ同時保存する「バックアップ記録」、RAWとJPEGの画像を別々のカードに記録する「RAW+JPEG分割記録」が行える。

　サイズは約159.5（幅）×157（高さ）×87.5（奥行き）ミリ、約1220グラム（本体のみ）。