…i od środka
Pierwszą rzeczą, która odróżnia D5100 od D5000 jest 16-megapikselowy przetwornik obrazu, oczywiście formatu DX (23,6 x 15,6mm). Jest to ten sam sensor typu CMOS, co zastosowany w wyżej pozycjonowanym modelu D7000, oferujący obraz o największych rozmiarach równych 4928 x 3264 pikseli. D5100 wykorzystuje 14-bitowe przetworniki analogowo/cyfrowe, i z taką też dokładnością są zapisywane zdjęcia w formacie RAW. Nie ma przy tym możliwości zapisu w formacie 12-bitowym, obligatoryjna też jest kompresja RAW-ów. Za przetwarzanie obrazu, podobnie jak w innych nowych lustrzankach Nikona, odpowiada procesor Expeed 2.

16-megapikselowy sensor typu CMOS, ten sam co zastosowany w półprofesjonalnym Nikonie D7000, pozwala uzyskać bardzo szczegółowy obraz (na ilustracji fragment zdjęcia 1:1). To jednak duże wyzwanie dla obiektywu – w tym wypadku był to ‘’kitowy’’ 18-55 VR.

Chociaż D5100 wykorzystuje ten sam przetwornik i procesor obrazu co półprofesjonalny model D7000, wydajność w trybie seryjnym wynosi "tylko" 4 kl/s. To ograniczenie wynika zarówno z amatorskiego pozycjonowania D5100 przez producenta, jak i wykorzystania innej migawki niż w D7000. Ta zastosowana w D5100 ma typowy dla konstrukcji amatorskich najkrótszy czas otwarcia równy 1/4000 sekundy (w D7000 jest to 1/8000 sekundy).

Zastosowana w D5100 migawka ma żywotność 100 000 cykli pracy.

Zakres oferowanych czułości jest podobny co w D7000: od ISO 100 do 6400, z możliwością podbicia do ISO 12 800 oraz ISO 25 600 odpowiednio w trybach HI1 i HI2. Dostępna jest funkcja automatycznego podnoszenia wartości ISO, rozwiązana w typowy dla lustrzanek Nikona sposób, możemy zatem zadeklarować zarówno górną granicę ISO, jak i maksymalny czas otwarcia migawki.

Wydajny procesor obrazu pozwala na skuteczne odszumianie zdjęć, dzięki czemu szumy przy czułości 1600 ISO nie są problemem, chociaż następuje niewielka utrata szczegółów (fragment zdjęcia 1:1).

Jak się można było spodziewać, D5100 nie oferuje napędu AF dla starszych obiektywów Nikona, wymagających mechanicznego sprzęgu na mocowaniu bagnetowym. Oznacza to, że autofokus działał będzie wyłącznie w wypadku obiektywów wyposażonych we wbudowany napęd AF (na przykład Nikkor AF-S i AF-I).
Ograniczenia współpracy ze starszymi obiektywami dotyczą nie tylko autofokusa – w wypadku obiektywów pozbawionych procesora i styków elektrycznych (generacja Ai) nie działa pomiar ekspozycji, a aparatu można używać tylko w trybie manualnym (M).
Pod względem parametrów wizjer optyczny nie różni się od tego zastosowanego w D5000 – jest to konstrukcja zbudowana z luster, o odległości ocznej 17,9 mm i powiększeniu 0,78x. Jednak w przeciwieństwie do D5000 zrezygnowano z wyświetlanej na żądanie siatki geometrycznej, zmieniono również sposób prezentacji punktów AF na matówce. Podobnie jak w D3100, aktywny punkt AF jest sygnalizowany czerwonym podświetleniem. Niestety, czerwona kropeczka jest dość mała, i niekiedy (np. na tle jasnego nieba) słabo widoczna.

W D5100 zmieniono sposób prezentacji aktywnego punktu AF.

Sam układ autofokusa pozostał niezmieniony w stosunku do D5000, i bazuje na 11-punktowym (centralne pole jest typu krzyżowego) czujniku Multi-CAM 1000 znanym jeszcze z modeli D200 i D80. Nie ma w tym nic złego, jako że radzi on sobie bardzo dobrze, tym bardziej że w D5100 wspomagany jest przez 420-punktowy czujnik RGB układu pomiaru ekspozycji. Dzięki niemu bardzo dobrze sprawdza się tryb śledzenia ostrości 3D.

Za ustawienie ostrości odpowiada doskonale znany i sprawdzony układ Multi-CAM 1000.

Wspomniany 420-polowy czujnik RGB jest również centralnym elementem układu ustalania ekspozycji. Do dyspozycji mamy punktowy, centralnie ważony oraz matrycowy tryb pomiaru. W tym ostatnim obraz pochodzący z czujnika porównywany jest z bazą 30 000 zdjęć zapisanych w pamięci aparatu. Zapamiętane dane wykorzystywane są do ustawienia ekspozycji, ostrości, siły błysku oraz balansu bieli.

420-polowy sensor RGB nie tylko odpowiada za pomiar ekspozycji, ale także wspomaga działanie układu AF oraz automatykę błysku i balansu bieli.

Przetwarzanie obrazu zapisywanego w formacie JPEG rozwiązano podobnie, jak w innych lustrzankach Nikona, do dyspozycji mamy pełen mechanizm profili Picture Control, możemy zdefiniować do 9 własnych ustawień, które za pośrednictwem karty pamięci możemy wymieniać z innymi lustrzankami Nikona (na karcie można zapisać do 99 profili), można je też poddawać edycji za pomocą programu Picture Control Utility (wchodzi w skład aplikacji ViewNX).