撮像素子はKodak製の有効約4000万画素CCDで、寸法は44×33mm。マウントにはペンタックス645AF2を採用し、従来の645用レンズ資産に対応した。大型センサーのために撮影システムをすべて新しくするのではなく、既存の645レンズと組み合わせる形でデジタル撮影へつなげている。^{1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

ボディは幅156×高さ117×奥行119mm、本体約1400gで、電池とSDカード2枚を含むと約1480gとなる。光学ファインダーは視野率約98%。AFには11点測距のSAFOX IX+を搭載し、中央の9点をクロスセンサーとした。大型CCDと光学ファインダー、AFをひとつのボディに収めた一眼レフである。^{2公式 リコーイメージング645D 性能諸元1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

画像処理にはPRIME IIを用い、中判向けの専用アルゴリズムを組み込んだ。解像を優先してローパスフィルターを省き、14bitのA/D変換に対応する。RAWはPEFとDNGを選べるため、撮影時の処理だけでなく、その後にデータを扱う形式にも選択肢が用意された。^{1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

645Dの発表では、業務用デジタルバックが大型センサーの比較対象に挙げられた。一方、ペンタックスが想定した使い手は風景愛好家であり、屋外で撮影できる製品にすることを重視していた。センサーの大きさを出発点としつつ、撮影現場へ持ち出せる一体型カメラとして構成した点に、製品の狙いが表れている。^{1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

屋外使用を支えるため、外装にはマグネシウムを、内部のシャシーには熱膨張に配慮したアルミダイキャストを採用した。70か所にシーリングを施し、マイナス10度での耐寒動作を公表している。背面と上面の液晶表示には硬質保護ガラスを使用した。大型センサーを収めるだけでなく、低温やほこりのある撮影環境に対応する構造である。^{1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

ほこりへの対応は外装の密閉だけではない。DR IIはCCD前面のUV/IRカットフィルターを超音波で振動させる仕組みで、ダストアラートにより付着状態を撮影前に確認できる。内部へ入りにくくする構造と、付着したほこりを確認・除去する機能を組み合わせていた。^{1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

記録にはSDカードの2スロットを備え、RAWとJPEGを別々のカードへ振り分ける方法と、同じデータを両方へ保存するバックアップを選べる。これらの設定にはダイレクトボタンが用意された。画像形式ごとの管理と撮影データの二重化を、カメラ側の操作で切り替えられる構成である。^{1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

露出操作では、ハイパープログラムが前後のダイヤルから絞り優先・シャッター優先へ移る仕組みを採り、グリーンボタンでプログラムへ戻れる。TAvでは撮影者がシャッター速度と絞りを選び、それに対してISO感度を自動で変える。夕景の色を強調するCTEホワイトバランスも備え、風景の撮影条件や色表現に関わる操作を盛り込んだ。^{1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}

ミラーアップには専用ダイヤルがあり、連写は約1.1コマ/秒、RAWで約13枚まで対応する。D-LI90P使用時の撮影枚数は23度でCIPA約800枚、マイナス10度では目安約650枚とされた。新設計のシャッターは最高1/4000秒で、公表耐久回数は5万回である。^{2公式 リコーイメージング645D 性能諸元1公式 ペンタックスPENTAX645D 発表}