尼康D4搭载了特别为优化数码单反相机设计的全新的尼康FX格式CMOS图像传感器 (画像尺寸36.0×23.9 mm) 和全新数码图像处理器 EXPEED 3,可提供卓越的图像品质以及超高速的性能。该机型有效像素为1,620万,同时其图像传感器支持令人难以置信的宽广感光度范围,从ISO 100 至 ISO 12800(最低扩展至ISO 50,最高扩展至ISO 204800),可在各种照明条件下提供卓越的画质。
尼康D4内置51个对焦点的AF系统,利用新的高级Multi-CAM 3500FX自动对焦感应器模块,在低照明条件下也能更快速、更准确地自动对焦。另外,采用的新算法可实现更快的AF触发,这在拍摄诸如运动场景等需要更准确、更锐利地捕捉决定性瞬间时,显得尤为重要。同时,新的高速AF系统还支持FX格式下AF和AE跟踪时,约10幅/秒的高速连拍。