有効1,210万画素、36.0×23.9mmのFX CMOSを搭載する。D3と画素数や撮像面の大きさを保ちながら、センサーは新設計とした。縦位置グリップ一体の本体は、電池やカードなどを除いて約1,240gで、外装、シャシー、ミラーボックスにマグネシウム合金を使い、30万回のレリーズ試験をクリアした。^{3公式 ニコンデジタル一眼レフカメラ ニコンD3Sを発売}

通常の感度範囲はISO200〜12800で、減感はISO100相当、増感はISO102400相当までとなる。最大値はHi 3の拡張感度であり、常用域とは異なる。記録媒体はUDMA対応のCF Type Iを2枚使い、順次記録、バックアップ、RAWとJPEGの振り分けなどに利用できた。^{5公式 ニコンD3S 主な仕様}

EN-EL4a使用時の撮影可能数は、CIPA準拠で約4,200コマである。条件は23±2℃、AF-S 24–70mm F2.8G EDを用い、30秒ごとに無限遠から至近へフォーカスを往復させ、ライブビューを使わない測定だった。^{6公式 ニコンD3S 使用説明書}

D3の常用感度上限ISO6400をISO12800へ、拡張上限ISO25600相当をISO102400相当へ引き上げた。新たに1.2×の撮像範囲も加え、FXとDXの間に約840万画素の選択肢を設けている。^{3公式 ニコンデジタル一眼レフカメラ ニコンD3Sを発売}

バッファー容量はD3の2倍に増えた。FXの最高約9コマ/秒という連写速度を引き継ぎつつ、続けて撮れる枚数を増やす更新である。^{7公式 日本写真学会／ニコン開発者デジタル一眼レフカメラD3S 古山久樹・姜華 日本写真学会誌73巻2号94–98} FX・1.2×・5:4は最高約9コマ/秒、DXは最高約11コマ/秒だが、公称値はEN-EL4aなどの電源、AF-C、SまたはM、1/250秒以上、その他初期設定、常温・満充電という条件による。^{5公式 ニコンD3S 主な仕様}

DXの10・11コマ/秒では、ピントは1枚目に固定される。暗い被写体では露出も最初のコマに固定される場合があり、最高速度をそのままAF追従の速度として読むことはできない。撮像範囲と連写設定で、追従の条件が変わる。^{6公式 ニコンD3S 使用説明書}

AFは51点、うちクロス15点のマルチCAM3500FXを継承し、アルゴリズムを改良した。AF-ONボタンのストロークを従来の半分以下に縮め、端を押しても所定の押し込みで作動する構造とした。AFロックオンにも中間の2設定を加えており、測距点を増やす更新ではなく、追従制御と指先の操作を見直している。^{7公式 日本写真学会／ニコン開発者デジタル一眼レフカメラD3S 古山久樹・姜華 日本写真学会誌73巻2号94–98}

新しいQモードは、全押しから指を戻す際にミラーを低速で下げ、音の出るタイミングを分ける静音機能であった。ミラー上昇と露光は通常と同じで、電子シャッターによる無音撮影ではない。^{7公式 日本写真学会／ニコン開発者デジタル一眼レフカメラD3S 古山久樹・姜華 日本写真学会誌73巻2号94–98}

D3にはなかったDムービーも加わった。最大1,280×720画素・24fpsのMotion-JPEGをAVIへ記録し、HDの1回の記録は最長5分である。内蔵マイクはモノラルだが外部ステレオマイクを接続でき、通常の動画感度はISO200〜12800、高感度動画モードではISO6400〜102400相当を使う。^{5公式 ニコンD3S 主な仕様}

同時代のEOS-1D Mark IVはAPS-Hの約1,610万画素で、常用ISO100〜12800、拡張ISO102400相当、最高約10コマ/秒、フルHD動画に対応した。^{8公式 キヤノンEOS-1D Mark IV カメラミュージアム} D3SはFXの1,210万画素、最高約9コマ/秒、720p動画であり、最大感度の数字が近くても、センサーサイズ、解像度、動画仕様の配分は異なる。^{5公式 ニコンD3S 主な仕様}

ニコンのCSR報告書にある山本哲也氏・笹垣信明氏の説明によれば、D3発売直後から利用者の意見を集め、高感度特性の追加改善を目標として開発を始めた。マイクロレンズと画素部を改良し、光を取り込んで蓄える能力を高め、内蔵アンプの特性を最適化して、特に暗部のノイズを抑えたという。^{9公式 ニコンNikon CSR REPORT 2010 詳細版 12ページ 超高感度デジタル一眼レフカメラ}

開発者の古山久樹氏・姜華氏による技術解説は、受光部までの構成、蓄積できる電荷の容量、複数段アンプのゲイン配分を見直し、画像処理と合わせて最適化したと詳しく説明する。画素数が同じでも、光を受けて電気信号として取り出すまでの設計は変更されていた。^{7公式 日本写真学会／ニコン開発者デジタル一眼レフカメラD3S 古山久樹・姜華 日本写真学会誌73巻2号94–98}

ISO102400相当は、開発の最初から定めた上限ではなかった。CSR報告書によれば、当初はD3と同じHi 2までを想定していたが、ISO12800の画質を追求する中で可能性が見え、開発後半にHi 3へ挑戦することを決めた。高感度の最大値は、通常感度域の改善を進めた結果として追加されたのである。^{9公式 ニコンNikon CSR REPORT 2010 詳細版 12ページ 超高感度デジタル一眼レフカメラ}

センサー清掃も、D3で一度は断念した課題だった。FXと視野率100％のファインダーを組み合わせる構造内では、当時は必要な性能を満たせなかった。D3Sでは空間を捻出し、限られた場所でも高い振動性能を得られる圧電素子を採用して、クリーニング機構を実現した。^{7公式 日本写真学会／ニコン開発者デジタル一眼レフカメラD3S 古山久樹・姜華 日本写真学会誌73巻2号94–98}

実装した機構は、ローパスフィルターを4種類の共振周波数で振動させる方式である。ニコンは、FXかつ視野率100％の機種として初めてのイメージセンサークリーニング搭載と説明した。^{3公式 ニコンデジタル一眼レフカメラ ニコンD3Sを発売}

D3やD3Xと併用するプロが多いことも想定し、外観と操作配置の変更は必要最小限に抑えた。マイクや新しいボタンを加えるため、スピーカーなどの配置を調整している。動画にMotion-JPEGを選んだ理由も、必ずしも高性能でないPCで滑らかに再生・編集できることだった。性能を加えながら、既存の撮影機材や作業環境の中で使えるよう配慮した設計である。^{7公式 日本写真学会／ニコン開発者デジタル一眼レフカメラD3S 古山久樹・姜華 日本写真学会誌73巻2号94–98}

複数の専門媒体は、低照度での高感度画質を共通する長所として挙げ、暗い現場での撮影範囲が広がったことを評価した。最大の拡張感度を常に使えるという一律の結論ではなく、高感度で写真を残す能力の改善が評価の中心であった。^{10レビュー DPReviewNikon D3S In-depth review}

堅牢な作り、握りやすさ、AFと操作の柔軟性にも複数媒体から評価があった。一方、フルHD対応の競合に対して動画が720pにとどまることは共通する制約とされ、高感度動画の強さと最大記録解像度は別々に評価された。^{11レビュー Photography BlogNikon D3S Review}

2026年10月1日時点の価格.comでは、集計対象148件の満足度が4.86、画質4.82、ホールド感4.76、バッテリー4.74に対し、携帯性は3.32だった。後年の投稿を含む集計でも、撮影性能や保持、電池への評価と、持ち運ぶ際の大きさへの評価が分かれている。^{12レビュー 価格.comD3S ボディ レビュー評価・評判}