商品企画・マーケティング担当の畳家久志は、ハイアマチュア機K10Dの次に何を目指すかを考え、画質を中心に据えたと説明した。同時発表のK200Dは使い勝手を前面に出すエントリー機である。二機種の役割を分ける中で、K20Dは撮影者が求める画の仕上がりを深める側を担った。^{2インタビュー ASCII.jp苦労は2倍、しかしこだわれる──ペンタックス「K20D」と「K200D」の開発者に聞く（前編）}

有効約1,020万画素のCCDから、約1,460万画素のCMOSへ変更した。発表時点ではAPS-Cサイズとして最高の画素数であり、常用感度の上限もISO1600からISO3200相当へ広がり、拡張設定ではISO6400相当に対応する。撮像素子の方式と画素数、使用できる感度域がまとめて変わった。^{3プレス デジカメWatchペンタックス、1,460万画素CMOSセンサー搭載の「K20D」}

仕上がりを選ぶカスタムイメージは、雅、風景、人物、モノトーンなど6種類に拡充された。JPEGで撮った後にもカスタムイメージ画面から仕上げを再調整できる。センサーの高画素化だけで画質を決めるのではなく、撮影者が色や調子を選ぶ余地を持たせていた。^{4公式 リコーイメージングK20D 特長 カスタムイメージ}

新設のダイナミックレンジ拡大機能は、露出を抑えてハイライトの白飛びを避け、中間調を画像処理で補う方式である。画像処理担当の平井勇は、単に暗く写す場合とは異なり、中間調に違和感のない自然な仕上がりを狙ったと説明している。画素数とは別に、明暗をどう残すかにも手を入れた。^{5インタビュー ASCII.jp絵作りの裏技公開──ペンタックス「K20D」と「K200D」の開発者に聞く（後編）}

ペンタックスの一眼レフとして初めてライブビューを搭載した一方、72箇所のシーリングとステンレスシャシーによる防塵防滴構造はK10Dから受け継いだ。^{3プレス デジカメWatchペンタックス、1,460万画素CMOSセンサー搭載の「K20D」6公式 リコーイメージングK20D 特長 防塵・防滴} 撮像系を入れ替えながら、屋外で使う上位機としての本体構成を引き継いだモデルである。

当時のDPReviewは、ニコンD300、キヤノンEOS 40D、ソニーα700、オリンパスE-3を比較対象に挙げている。K20Dは、各社が展開する中上級の一眼レフと同じ枠組みで検討された。^{7レビュー Digital Photography ReviewPentax K20D Review}

CMOSはサムスンテックウィン、サムスン電子、ペンタックスの3社で共同開発した。従来の汎用品を調達する方式に比べ、撮像素子から関与できる反面、開発側の仕事も増える。撮像素子・エレキ設計担当の堀田智は、その負担が増えても良いものを作りやすくなると説明した。実際、開発途中に素子の特性変更へ対応する必要があり、畳家は緊張を伴う開発だったと振り返っている。^{2インタビュー ASCII.jp苦労は2倍、しかしこだわれる──ペンタックス「K20D」と「K200D」の開発者に聞く（前編）}

堀田によれば、CMOSへの移行にはS/N比と消費電力の面で利点があり、ライブビューも実装しやすくなった。微細化によってフォトダイオードの開口率と集光効率を高めたことも、S/N比の改善につながったという。ただし、回路の数値を大きくすること自体を目標にはしなかった。アナログ回路は22bitと14bitの両方を試作し、実際の出力画像を比べて14bitを選んだのである。^{2インタビュー ASCII.jp苦労は2倍、しかしこだわれる──ペンタックス「K20D」と「K200D」の開発者に聞く（前編）}

ノイズ処理でも、すべてを一様に消す方針は採らなかった。堀田は、目立つ色ノイズは抑え、輝度ノイズは解像感を失わないよう多少残すと説明している。さらに平井は、新しいDAレンズと旧レンズとでは光学特性が異なり、両方に対応する画像づくりに苦心したと述べた。共同開発した素子の性能だけでなく、残すノイズや組み合わせるレンズまで含めて仕上がりを判断したことが、K20Dの画質重視という方針の具体的な中身であった。^{2インタビュー ASCII.jp苦労は2倍、しかしこだわれる──ペンタックス「K20D」と「K200D」の開発者に聞く（前編）}

専門媒体のレビューには、細かな設定を選べるカスタマイズ性への評価が共通する。一方で、ライブビューの使い勝手には課題があるという指摘も複数の記事に見られる。撮像系を更新して表現の選択肢を増やしたことと、ライブビューを快適に使えるかどうかは、別々に評価されていた。^{8レビュー デジカメWatch【新製品レビュー】ペンタックス「K20D」}

2026年9月の調査時点で、価格.comの269件のレビューは満足度4.86だった。画質4.79、操作性4.72、バッテリー4.83に対して、携帯性は4.20、液晶は4.10である。高精細な描写や操作性を評価する投稿がある一方、液晶の見づらさ、本体重量、AFの遅さを課題とする声も集まっていた。画質に重点を置いた更新が、使い勝手の全項目を同じように刷新したわけではない。^{9レビュー 価格.comペンタックス PENTAX K20D ボディ レビュー評価・評判}