...i D5100 od środka
Pierwszą rzeczą, która odróżnia D5100 od D5000 jest 16-megapikselowy przetwornik obrazu, oczywiście formatu DX (23,6 x 15,6 mm). Jest to sensor typu CMOS, podobny do zastosowanego w wyżej pozycjonowanym modelu D7000, oferujący obraz o największym rozmiarze 4928 x 3264 pikseli. D5100 wykorzystuje 14-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe i z taką też dokładnością są zapisywane zdjęcia w formacie RAW. Nie ma przy tym możliwości zapisu w formacie 12-bitowym, obligatoryjna też jest kompresja RAW-ów. Za przetwarzanie obrazu, podobnie jak w innych nowych lustrzankach Nikona, odpowiada procesor Expeed 2.
Chociaż D5100 wykorzystuje ten sam przetwornik i procesor obrazu co półprofesjonalny model D7000, wydajność w trybie seryjnym wynosi "tylko" 4 klatki na sekundę. To ograniczenie wynika zarówno z amatorskiego pozycjonowania D5100 przez producenta, jak i wykorzystania innej migawki niż w D7000. Ta zastosowana w D5100 ma typowy dla konstrukcji amatorskich najkrótszy czas otwarcia równy 1/4000 sekundy (w D7000 jest to 1/8000 sekundy).

Zastosowana w D5100 migawka ma żywotność 100 000 cykli pracy.

Podobnie jak D3100, D5100 nie oferuje napędu AF dla starszych obiektywów Nikona, wymagających mechanicznego sprzęgu na mocowaniu bagnetowym. Oznacza to, że autofokus działał będzie wyłącznie w wypadku obiektywów wyposażonych we wbudowany napęd AF (na przykład Nikkor AF-S i AF-I).
Ograniczenia współpracy ze starszymi obiektywami dotyczą nie tylko autofokusu – w wypadku obiektywów pozbawionych procesora i styków elektrycznych (generacja Ai) nie działa pomiar ekspozycji, a aparatu można używać tylko w trybie manualnym (M).
Pod względem parametrów wizjer optyczny nie różni się od tego zastosowanego w D5000 – jest to konstrukcja zbudowana z luster, o odległości ocznej 17,9 mm i powiększeniu 0,78x. Jednak w przeciwieństwie do D5000 zrezygnowano z wyświetlanej na żądanie siatki geometrycznej, zmieniono również sposób prezentacji punktów AF na matówce. Podobnie jak w D3100, aktywny punkt AF jest sygnalizowany czerwonym podświetleniem. Niestety, czerwona kropeczka jest dość mała i niekiedy (np. na tle jasnego nieba) słabo widoczna.

W D5100 zmieniono sposób prezentacji aktywnego punktu AF.

Sam układ autofokusa pozostał niezmieniony w stosunku do D5000 i bazuje na 11-polowym (centralne pole jest typu krzyżowego) czujniku Multi-CAM 1000 znanym jeszcze z modeli D200 i D80. Nie ma w tym nic złego, jako że radzi on sobie bardzo dobrze, tym bardziej, że w D5100 wspomagany jest przez 420-punktowy czujnik RGB układu pomiaru ekspozycji. Dzięki niemu bardzo dobrze sprawdza się tryb śledzenia ostrości 3D.

Za ustawienie ostrości odpowiada doskonale znany i sprawdzony układ Multi-CAM 1000.

Wspomniany 420-polowy czujnik RGB jest również centralnym elementem układu ustalania ekspozycji. Do dyspozycji mamy punktowy, centralnie ważony oraz matrycowy tryb pomiaru. W tym ostatnim obraz pochodzący z czujnika porównywany jest z bazą 30 000 zdjęć zapisanych w pamięci aparatu. Zapamiętane dane wykorzystywane są do ustawienia ekspozycji, ostrości, siły błysku oraz balansu bieli.

420-polowy sensor RGB nie tylko odpowiada za pomiar ekspozycji, ale także wspomaga działanie układu AF oraz automatykę błysku i balansu bieli.

Przetwarzanie obrazu zapisywanego w formacie JPEG rozwiązano podobnie, jak w innych lustrzankach Nikona. Do dyspozycji mamy pełen mechanizm profili Picture Control, możemy zdefiniować do 9 własnych ustawień, które za pośrednictwem karty pamięci możemy wymieniać z innymi lustrzankami Nikona (na karcie można zapisać do 99 profili). Można je też poddawać edycji za pomocą programu Picture Control Utility (wchodzi w skład aplikacji ViewNX).