高感度畫質大幅提昇
時隔兩年的研發時間，加上 2012 年為非常重要的奧運年，Nikon D4 規格也不會讓人失望。全新開發的 35mm FX 全片幅 CMOS 感光元件，尺寸約為 36 ×23.9mm，有效像素提高至 1620 萬，像素間距為 7.3μm。這塊感光元件還提供 ISO 100-12800 的標準輸出，在擴展模式下可達到 ISO 50 - 204800。
 

EXPEED 3 引擎 + 51 點對焦 + 場景辨識系統，相位差 AF 系統支援臉部對焦
 D4 具有更先進、精度更高的場景識別系統，借由 91000 像素的 RGB 感應器實現先進的場景識別系統，在光學取景器拍攝時也可實現精準的人臉檢測，利用面部檢測信息和詳細的場景分析信息，它可準確控制自動化功能。而且它有助於改善捕獲完美拍攝主體的3D追蹤性能。對焦系統採用全新的 Multi-CAM 3500 FX 自動對焦感應器模塊，具備 TTL 相位偵測、微調和 51 個對焦點（包括 15 個十字型感應器，光圈 f/8 時支持 11 個感應器），D4 的對焦算法要比 D3S 更先進。
 

影像處理器採用的是「EXPEED 3」，它的能效是 「EXPEED 2」 的 22 倍。這塊 EXPEED 3 處理器專為數碼單眼相機優化，其影像色彩飽和均衡，層次自然，動態範圍極其寬廣。即使在微弱照明下以高 ISO 感光度拍攝時，智能降噪仍可在不降低影像細節清晰度的前提下減少雜訊。EXPEED 3 的高速度 16 位處理能帶來平滑的層次感和豐富的色調與細節。EXPEED 3 也為高畫質影片進行最佳化，可減少影片莫爾條紋、錯色和鋸齒邊緣現象。