Pierwszy w historii aparat firmy Nikon formatu FX przeznaczony dla najbardziej wymagających profesjonalistów, pracujących w ekstremalnych warunkach. Zastosowana w modelu D3 matryca CMOS formatu FX była projektowana od podstaw z myślą o zapewnieniu wyjątkowo wysokiego współczynnika przechodzenia światła, aby umożliwić wykonywanie zdjęć wysokiej jakości nawet w słabych warunkach oświetleniowych. Dzięki dużej wartości stosunku sygnału do szumu, wielkości pojedynczego piksela większej o 15% niż w konkurencyjnych aparatach, ściśle przylegającym do siebie mikrosoczewkom i zaawansowanemu układowi redukcji szumów możliwe stało sie robienie zdjęć przy bardzo słabym oświetleniu. Matryca pozwala na ustawianie czułości w zakresie ISO 200-6400, z możliwością jej zwiększenia do odpowiednika ISO 25 600 lub obniżenia do odpowiednika ISO 100. W modelu zastosowano mechanizm przetwarzania obrazu EXPEED, dzięki któremu aparat oferuje możliwość rejestrowania i obróbki olbrzymiej ilości danych z wysoką precyzją. Działanie mechanizmu EXPEED opiera się na odpowiednich rozwiązaniach sprzętowych oraz wieloletnim doświadczeniu firmy Nikon w dziedzinie obróbki obrazu. Mechanizm EXPEED zastosowany w modelu D3 składa sie z 14-bitowego konwertera analogowo-cyfrowego i 16-bitowego układu przetwarzania obrazu. Oba maja wpływ na uzyskiwane efekty, które są zbieżne z powszechnie znanym stylem firmy Nikon, charakteryzującym się bogactwem wiernie reprodukowanych barw, płynnymi przejściami tonalnymi odcieni skóry i wyjątkową szczegółowością obrazu. Kolejną innowacją jest zastosowanie w modelu D3 całkowicie nowej metody obliczania parametrów ekspozycji i balansu bieli wraz z „inteligentną” obsługą śledzenia ostrości w ramach autofokusa. Sercem systemu rozpoznawania scenerii jest opracowany przez firmę Nikon 1005-pikselowy czujnik pomiaru światła RGB, który został zmodyfikowany pod kątem rozróżniania kształtu i położenia obiektów w celu poprawy dokładności automatycznego ustawiania ekspozycji i ostrości. Aparaty D3 wyposażony jest w zupełnie nowy, 51-polowy system autofokusa zoptymalizowany pod kątem dokładniejszego wykrywania i śledzenia ruchu obiektów. W efekcie intensywnych badań nad sposobem korzystania z autofokusa przez zawodowych fotografów sportowych i fotoreporterów wyposażono moduł AF Multi-CAM3500 w największą liczbę punktów AF w historii lustrzanek. Inspirujące powiązanie modułu AF z łatwym w obsłudze, 8-kierunkowym wybierakiem wielofunkcyjnym znacznie upraszcza i przyspiesza błyskawiczne wybieranie poszczególnych punktów AF. Zgodnie z oczekiwaniami system autofokusa można w pełni dostosowywać do aktualnych warunków fotografowania. Jakość obrazu, jaką zapewnia aparat D3, uzupełnia wyjątkowa szybkość rejestrowania zdjęć seryjnych. Dzięki prędkości 9 kl./s model D3 jest najszybszą na świecie lustrzanką cyfrową w swojej klasie, która w trybie kadrowania w formacie DX potrafi osiągnąć jeszcze większą prędkość wynoszącą aż 11 kl./s. W modelu D3 wprowadzono też po raz pierwszy dodatkowy tryb kadrowania w formacie o proporcjach 5:4 (30 x 24 mm). Opóźnienie migawki wynosi niezauważalne 41 ms (zgodnie ze standardem stowarzyszenia Camera & Imaging Products Association), a szybki, 12-kanałowy odczyt danych w matrycy zapewnia dużą prędkość zdjęć seryjnych i znakomitą jakość podglądu na żywo. Aparat D3 jest ponadto błyskawicznie gotowy do pracy, ponieważ czas uruchamiania wynosi tylko 0.12 s, a przesłonięcie wizjera przez lustro trwa zaledwie 74 ms, co jest najlepszym wynikiem w sprzęcie tej klasy. W modelu D3 zastosowano zupełnie nową migawkę firmy Nikon przetestowana przez ponad 300 tys. cykli. Jej listki zostały wykonane z wytrzymałego kompozytu z włókien kewlarowych i węglowych w celu zapewnienia niezrównanej trwałości i precyzji, nawet w najbardziej wymagających warunkach pracy. Nowy system przetwarzania obrazu zapewnia wzrost produktywności użytkownikom rejestrującym zdjęcia w formacie JPEG. Opcje przetwarzania obrazu pozwalają im na wszechstronne zarządzanie zdjęciami w aparacie i modyfikowanie ich. Taka wewnętrzna obróbka materiału fotograficznego oszczędza mnóstwo czasu poświęcanego do tej pory na komputerowe korygowanie zdjęć. Dzięki różnorodnym ustawieniom domyślnym użytkownicy mogą też swobodnie dostosowywać ustawienia i przekazywać je sobie nawzajem. Firma Nikon przewiduje, że fotografowie będą opracowywali własne ustawienia przetwarzania obrazu dostosowane do określonych obiektów i warunków zdjęciowych. Przetwarzanie obrazu zastępuje ustawienia trybu kolorów stosowane dotychczas w aparatach marki Nikon. Aktywna funkcja D-Lighting obecna w aparacie D3 stanowi uzupełnienie jego możliwości w zakresie obsługi formatu JPEG. Przed rozpoczęciem fotografowania, w warunkach dużej kontrastowości obiektów widocznych w kadrze, użytkownicy mogą zastosować gotową krzywą, która pozwoli skorygować zdjęcia poprzez uwypuklenie szczegółów w zacienionych i nadmiernie rozjaśnionych obszarach bez modyfikowania ogólnego poziomu kontrastu. W aparacie D3 wszystko jest podporządkowane wysokiej rozdzielczości obrazu. Od złącza HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface) przeznaczonego do wysyłania sygnału wizji, do najnowocześniejszych wyświetlaczy HD, aż po 3-calowy monitor LCD o rozdzielczości VGA i kącie oglądania 170 stopni — zdjęcia można zawsze odtwarzać z bardzo wysokim poziomem szczegółowości. Również nowy ekran o rozdzielczości VGA ma unikatowy charakter, ponieważ udostępnia funkcje podglądu na żywo, która debiutuje właśnie w aparatach D3 i D300. W odróżnieniu od innych rozwiązań tego typu we wszystkich trybach podglądu na żywo obecnych w aparatach firmy Nikon można korzystać z autofokusa. Model D3 jest pierwszą lustrzanką cyfrową na świecie, która jest wyposażona w dwa gniazda kart pamięci CompactFlash w celu zapewnienia niezrównanej elastyczności przechowywania danych. Fotograf może rejestrować zdjęcia po kolei na każdej karcie lub zapisywać je równolegle na obu kartach w celu otrzymania kopii zapasowych. Podczas fotografowania z jednoczesnym zapisywaniem każdego zdjęcia w plikach NEF i JPEG, zdjęcie NEF można rejestrować na jednej karcie, a jego wersje w formacie JPEG na drugiej. Po zakończeniu fotografowania pliki zdjęć można ponadto kopiować między kartami pamięci. Prezentowana lustrzanka charakteryzuje się wysokim stopniem odporności na najtrudniejsze warunki pracy. Zewnętrzna część korpusu, szkielet obudowy i ramka lustra zostały wykonane ze stopu magnezu, a łączenia i przyciski są uszczelnione, zapobiegając przedostawaniu sie kurzu i wilgoci do wnętrza aparatu.