　FXフォーマット（36×23.9ミリ）の新開発された有効1620万画素CMOSセンサーを搭載したフラグシップ機。同サイズセンサーを搭載した「D3S」（有効1210万画素）より高画素化を進めながら読み出し速度の高速化も図り、常用ISO感度についても、D3Sの常用ISO感度は200～12800であるのに対し、ISO100～12800と拡大されている。ISO50相当／ISO204800相当までの減増感も行える。画像処理エンジンは「EXPEED 3」を搭載する。

　AFポイントはD3と同様の51点で、中央15点にはクロスセンサーを採用するほか51点すべてがf/5.6対応、中央5点と中段左右各3点はf/8対応となっており、テレコン利用時にも高精度なピント合わせを期待できる。アルゴリズムの改良によってAF初動の高速化が図られたほか、AE／AF追尾状態のFXフォーマット記録でも約10コマ／秒の連続撮影を行える。

　新開発された測光センサー「91KピクセルRGBセンサー」によって、AFやAE、オートホワイトバランスなどの制御精度が高められているほか、この測光センサーは人物の顔も認識可能であるため、光学ファインダーを使ってのオートエリアAF撮影時では高精度な人物への合焦を期待できる（初出時、測光センサーの記述について誤りがありましたので訂正しました。　2012年1月6日　18:30）。

　動画撮影はもちろん1920×1080ピクセル／30fpsのフルハイビジョン撮影（映像コーデックはMPEG-4 AVC/H.264）が可能で、撮影時の意図に応じてFXベース／DXベース／1920×1080クロップと3種類の撮影範囲を選択できる。FXベースではセンサーサイズを生かした大きなボケを表現可能で、DX／クロップ時には焦点距離の短いレンズで被写体を大きく写せる。

　ファインダー視野率は100％、倍率約0.7倍（FXフォーマット、50mm f/1.4レンズ、∞、-1.0m-1時）。ボディにはマグネシウム合金を採用、各種シーリングによって高い防じん防滴性能を実現している。記録メディアはコンパクトフラッシュのほか、「XQDメモリーカード」に対応したデュアルスロット構成となっている。背面液晶は3.2型（92万画素）、サイズは約160（幅）×156.5（高さ）×90.5（奥行き）ミリ、約1340グラム（バッテリーおよびメモリーカード含む）。