De D3S is voorzien van een geheel opnieuw ontworpen beeldsensor met 12,1 megapixels. Dankzij het grote oppervlak per pixel, met een volledig gewijzigde interne structuur, kan de D3S beelden vastleggen bij lichtomstandigheden waarbij dit tot voorheen voor onmogelijk werd gehouden. Dankzij een ISO-bereik van 200 tot 12.800 met zeven stops, kunnen fotos en films worden gemaakt bij zeer weinig omgevingslicht, met een minimale in-camera processing zodat scherpte en details behouden blijven. De Nikon D3S is dan ook de eerste camera die drie aanvullende niveaus voor ISO-versterking biedt, tot maximaal Hi-3 (met een ongekende maximale 102.400 ISO-equivalent).
Met de D3S is het eveneens mogelijk creatieve hd-films van een hoge kwaliteit te maken. De D-movie-functie van de D3S werkt direct en intuïtief en is berekend op een hoge productiviteit. De 720p films worden vastgelegd met 24 beelden per seconde (bps) in motion-jpeg met de mogelijkheid van stereogeluid (via een optionele externe microfoon). De bestandsindeling biedt daarnaast de unieke ‘Save Selected’ optie waarmee de gebruiker rustig kan filmen, wetende dat een belangrijk moment in de film ook als foto kan worden opgeslagen.
Nikons 51-punts Multi-CAM3500 AF-systeem met vijftien zeer gevoelige kruissensoren kan volledig naar wens worden ingesteld en is eenvoudig te gebruiken. Hiermee zijn gebruikers in staat om snelbewegende onderwerpen gemakkelijk te volgen. Het D3S AF-systeem met contrastdetectie is ook aangepast aan het gebruik van autofocus tijdens filmopname en live view.