Nowa lustrzanka Nikona zbudowana została wokół 16,2-megapikselowego przetwornika CMOS formatu FX (czyli pełnoklatkowego). Nominalny zakres czułości, z jaką może ona pracować wynosi od ISO 100 do do ISO 12 800, przy czym obniżyć go można do ISO 50 oraz podnieść aż do wartości ISO 204 800. Zachowanie wysokiej jakości obrazu jest możliwe dzięki 16-bitowemu przetwarzaniu danych pochodzących z 16-bitowych przetworników analogowo-cyfrowych przez nowej generacji procesor Expeed 3. Wedle zapewnień producenta, skonstruowany przez Nikona przetwornik ma się charakteryzować niskim zużyciem energii. Wśród innych jego zalet wymienić należy zwiększoną rozpiętość tonalną obrazu oraz poprawioną reprodukcję kolorów skóry.


D4 może rejestrować do 11 klatek na sekundę, przy czym prędkość ta obniżona zostaje do 10 klatek na sekundę, jeśli zachowane ma być śledzenie AF. Wedle zapewnień producenta, włączenie mechanizmów takich jak Active D-Lighting czy redukcja szumów ma nie wpływać negatywnie na szybkostrzelność aparatu.

Przetwornik CMOS zastosowany w lustrzance D4 został skonstruowany specjalnie na jej potrzeby.

Nowy pomiar ekspozycji, zmodernizowany autofokus
Matrycowy pomiar ekspozycji zawsze był specjalnością Nikona, jednak w D4 japońscy konstruktorzy nie zadowolili się znanym doskonale 1005-polowym czujnikiem RGB. Nowy układ pomiarowy liczy sobie 91 000 elementów światłoczułych, co pozwala na niespotykaną do tej pory dokładność algorytmów rozpoznawania fotografowanej sceny. Dzięki nowemu układowi poprawiła się też sprawność śledzenia 3D i rozpoznawania twarzy (które działa również podczas korzystania z wizjera optycznego).


Układ automatycznego ustawiania ostrości, podobnie jak w aparatach generacji D3, oparty został na module 51-punktowym Multi-CAM3500FX, jednak został on dość gruntownie zmodernizowany.
Czułość układu została zwiększona aż do -2EV, przy czym wszystkie 51 czujników (w tym 15 krzyżowych) działa przy otworze względnym f/5.6 lub większym. Na tym jednak nie koniec – 11 punktów AF (w tym centralny krzyżowy) działa przy otworze względnym f/8, co pozwala na automatyczne ustawianie ostrości podczas korzystania np., z obiektywu 600mm f/4 AF-NIKKOR z telekonwerterem 2x. Jeśli efektywny otwór względny zestawu obiektyw/konwerter mieści się w przedziale pomiędzy f/5.6 oraz f/8, do dyspozycji mamy 15 pól AF (w tym 9 krzyżowych).
Inną nowością w działaniu układu AF jest zapamiętywanie pozycji aktywnego punktu AF niezależnie od orientacji aparatu. Oznacza to, że jeśli wybierzemy punkt z lewej strony kadru a następnie zmienimy orientację zdjęcia z poziomej na pionową, aparat wybierze punkt AF możliwie odpowiadający pierwotnemu.