В Nikon D3 используется 12,1-Мпикс сенсор формата FX с размерами 23,9 × 36 мм, максимально приближенными к 35-мм пленке. Чувствительность в стандартном режиме регулируется в пределах от 200 до 6400 ISO, в расширенном — от 100 до 25600 ISO. Помимо сенсора, здесь установлен процессор под названием EXPEED, а также другая система автоматического фокуса с 51 точками и функцией 3D Focus Tracking. Эта функция считывает освещенность и цветовую гамму снимаемых объектов и позволяет настроить фокус более точно. Технология Scene Recognition System автоматически определяет тип снимаемого объекта и, в зависимости от полученных данных, самостоятельно выставляет экспозицию и баланс белого.