撮像素子には、高速、低ノイズの新型CMOSイメージセンサーを採用し、高性能画像処理エンジン「PRIME II」との組み合わせで高い解像感と階調豊かな色再現性を備えた、有効約1628万画素の高精細画像と最高約7コマ/秒の高速連続撮影を実現している。
また、高精度なオートフォーカスが可能になった11点ワイドAFセンサー「SAFOX(サフォックス) IX(ナイン)＋(プラス)」を採用ています。AF.Sモードではフォーカス優先、レリーズ優先のいずれかを、AF.Cモードではフォーカス優先、コマ速優先のいずれかを撮影シーンに応じて自由に選択でき、本体にAF補助光を搭載し、暗い場所での性能が向上しています。さらに、ライブビュー中のコントラストAF性能も大幅に向上しています。
撮影機能では、同社デジタル一眼レフカメラ「K」シリーズで初めてフルハイビジョン動画撮影機能を搭載したのが特徴で最大1920×1080ドット・25fpsのフルハイビジョン動画撮影を楽しめます。

また、露出の異なる3枚の画像を撮影してカメラ内で合成する「HDR機能」も大幅に強化。3段階から撮影意図に応じて選択でき、新採用の自動位置調整機能によって、手持ち撮影での利用も可能です。
カメラボディは外装にマグネシウム合金を、シャシーにステンレス合金を採用。77カ所にシーリングを施した防塵・防滴構造やマイナス10度まで動作する耐寒性能、10万回の作動に耐える最高速度1/8000秒のシャッター機構、独自の手ぶれ補正機構「SR」などを「PENTAX K-7」同様に備えています。