撮像素子は23.5×15.6mmのAPS-C Exmor CMOSで、有効約2430万画素。レンズマウントはソニーEマウントである。ボディは幅109.6×高さ62.8×奥行35.7mm、本体約224g、電池と記録媒体を含めると約283gとなる。レンズ交換に対応しながら、本体の外形と重量を抑えた構成である。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

AFは179点の位相差検出と25点のコントラスト検出を併用するファストハイブリッドAFである。最高6コマ/秒の連写中もAFとAEが追従する。動く対象にはロックオンAF、人物には瞳AFを利用でき、測距方式だけでなく被写体に合わせた機能も用意された。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

α6000と同様の179点位相差AFを画面のほぼ全域に配置した点が、α5100の主要な特徴である。撮像素子にはギャップレスオンチップレンズ構造を採り、ソニーは集光効率の向上を狙ったと説明している。画像処理にはBIONZ Xを搭載した。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

動画記録にはXAVC Sを新たに採用し、50MbpsのフルHD記録に対応した。静止画のAFやセンサーだけでなく、動画の記録方式もこの小型ボディに盛り込んだ更新である。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

ソニーは、広い範囲を覆う位相差AFを、タッチフォーカスやタッチシャッターで直接使える点を訴求した。画面に写った対象へ触れてピントを指定し、そのまま撮影する操作である。測距範囲の広さを、撮影者が画面上の位置を選ぶ操作と結び付けたところに、α5100の設計の焦点がある。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

背面の3型、921600ドット液晶は上方へ180度回転し、自分撮りに対応する。グリップとレンズの間には親指が入りやすい凹凸形状を設けた。画面を撮影者側へ向ける機構と、カメラを持つ指の収まりを併せて考えた構成である。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

ボディ側にもズームレバーがあり、電動ズームレンズを装着すると光学ズームを操作できる。レンズ交換式カメラでありながら、対応レンズのズーミングを本体側から行える。またGN4のポップアップ式内蔵フラッシュを備え、必要に応じて本体のフラッシュを使う撮影にも対応した。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

動画撮影中もファストハイブリッドAFとタッチフォーカスを使える。静止画だけでなく動画でも、画面からピントを合わせる対象を指定する操作を共通にした。XAVC S記録にはClass10以上のSDXCカードが必要であり、高品質動画と共有向けMP4を同時記録する機能も備える。ただし、この同時記録は60p時には利用できない。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}

発売時にはWi-FiとNFCによるスマートフォンへの共有や、リモート撮影を案内していた。さらにPlayMemories Camera Appsで撮影機能を追加できる製品として展開した。画面に触れて撮影するところから、撮った画像をスマートフォンへ渡すところまでを、当時の機能構成に含めていた。^{1公式 ソニーα5100 発表ニュースリリース}