D5100 to zaawansowana lustrzanka cyfrowa, wyposażona w matryce o rozdzielczości 16mln. pikseli znaną z modelu Nikon D7000. Ruchomy wyświetlacz o zmiennym kącie nachylenia współpracuje z dostępną w aparacie funkcją nagrywania filmów D-Movie, pozwalając na rejestrowanie wyjątkowych zdjęć wykonywanych pod dowolnym kątem.

Matryca CMOS w formacie DX o rozdzielczości 16,2 mln pikseli: zapewnia rzeczywiste obrazy o żywych kolorach, niskim poziomie szumów i płynnych przejściach tonalnych.

Wysoka czułość ISO ([zasłonięte]100-64) — z możliwością zwiększenia do odpowiednika 25 600 w przypadku zastosowania ustawienia Hi2. Umożliwia stosowanie krótszych czasów otwarcia migawki w celu uzyskania zdjęć o dużej szczegółowości i minimalnej ilości szumów przy fotografowaniu szybko poruszających się obiektów lub wykonywaniu zdjęć przy słabym oświetleniu. Automatyczne ustawianie czułości ISO.

Mechanizm obróbki zdjęcia EXPEED 2: optymalizuje działanie aparatu dla uzyskania doskonałych osiągów i najwyższej jakości zdjęć.

Wyświetlacz LCD o zmiennym kącie nachylenia i przekątnej 3 cala z ok. 921 tys. punktów, o szerokim kącie oglądania: pozwala wykonywać wyjątkowe zdjęcia pod dowolnym kątem. Wyróżnia się mechanizmem otwierania w bok, co ułatwia wykonywanie autoportretów lub korzystanie ze statywu.

Funkcja nagrywania filmów D-Movie – w rozdzielczości Full HD (1080p): przycisk nagrywania filmów umieszczony obok spustu migawki pozwala na nieruchome trzymanie aparatu podczas przechodzenia z trybu fotografowania do nagrywania filmów. Tryb AF-F zachowuje ostrość, a ruchomy wyświetlacz oraz tryb Efekty specjalne pozwalają na rejestrowanie wyjątkowych zdjęć. Aparat pozwala na korzystanie z zewnętrznego mikrofonu i oferuje rejestrowanie z szybkością 30, 25 lub 24 klatek na sekundę.

Podgląd na żywo z funkcją automatycznego wybierania trybów: ułatwia komponowanie zdjęć przy użyciu ruchomego wyświetlacza LCD. Po włączeniu funkcji Automatyczne wybieranie trybów aparat wybiera program tematyczny odpowiedni dla fotografowanego obiektu. Wyróżnia się łatwo wybieranymi trybami AF, w tym AF z priorytetem twarzy, wykrywającym i śledzącym twarze w kadrze.
Wyjątkowo ostry 11-punktowy system autofokusa: umożliwia szybki i dokładny autofokus w dowolnej części kadru. Cztery tryby pól AF, w tym śledzenie 3D, zapewniają dużą ostrość nawet wtedy, gdy obiekt nie znajduje się w środku kadru albo porusza się szybko lub nieprzewidywalnie.

Tryb zdjęć seryjnych z szybkością 4 kl./s: umożliwia uchwycenie błyskawicznie rozgrywających się wydarzeń z szybkością 4 kl./s.

Tryb Efekty specjalne: pozwala na wykonywanie doskonałych zdjęć i filmów przy użyciu efektów specjalnych. Szeroki zakres efektów, takich jak Szkic kolorowy, Efekt miniatury, Scena nocna czy Selektywny kolor, pozwala wyróżnić do trzech wybranych kolorów, resztę zdjęcia przekształcając w zdjęcie monochromatyczne.

Programy tematyczne automatycznie regulują ustawienia aparatu, m.in. parametry przetwarzania obrazu i aktywnej funkcji D-Lighting, w celu zagwarantowania optymalnych wyników w trudnych warunkach fotografowania. Wystarczy obrócić pokrętło trybu pracy do pozycji SCENE, aby uzyskać dostęp do najpopularniejszych programów tematycznych. Przykładowe zdjęcia pojawiają na wyświetlaczu, co pozwala wybrać odpowiedni tryb.

Szeroki zakres dynamiki (High Dynamic Range — HDR): zdjęcia o wyjątkowej szczegółowości wykonywane w sceneriach o wysokim kontraście. Wykonuje dwa zdjęcia podczas jednego zwolnienia migawki i tworzy obraz o wyjątkowo dużym zakresie dynamicznym, zmniejszonych szumach i bogatych przejściach tonalnych.

Rozbudowane menu retuszu w aparacie: pozwala na edycję oraz korygowanie zdjęć i filmów bezpośrednio w aparacie. Dostępne efekty i filtry, w tym Korekta perspektywy, Zmiękczenie oraz Kolorowy kontur, umożliwiają przekształcenie zdjęcia w grafikę.

Wbudowany podwójny system usuwania kurzu: Systemy czyszczenia matrycy i sterowania przepływem powietrza chronią przetworniki aparatu przed kurzem i umożliwiają uzyskanie zdjęć bez zabrudzeń.

Zgodność ze standardem HDTV: aparat posiada wbudowane złącze HDMI zgodne z HDMI-CEC, zatem można go podłączyć do telewizora HD, aby przeglądać zapisane zdjęcia i filmy, sterując odtwarzaniem za pomocą pilota telewizyjnego.

Przedni i tylny odbiornik podczerwieni: pozwala zapobiegać rozmazaniu obrazu podczas wykonywania zbliżeń i autoportretów.

Dźwięk stereofoniczny: zaprojektowany specjalnie dla lustrzanek cyfrowych, opcjonalny mikrofon stereo ME-1 firmy Nikon pozwala nagrywać filmy z wysokiej jakości dźwiękiem stereofonicznym bez szumów w trybie AF. Dostępny z gąbką tłumiącą i futerałem.