Matryca CMOS o rozdzielczości 24,3 mln pikseli w formacie FX zapewnia doskonałe odwzorowanie szczegółów i piękną gamę tonalną, nawet przy słabym oświetleniu. Dzięki 14-bitowej konwersji analogowo-cyfrowej i doskonałemu stosunkowi sygnału do szumu (współczynnik S/N) aparat zapewnia doskonałą jakość zdjęć o niewielkich szumach i szerokiej rozpiętości tonalnej nawet przy wysokich czułościach ISO, niezależnie czy użytkownik wybierze obiektyw szerokokątny czy superteleobiektyw.

Zakres ustawień ISO od 100 do 6400 z możliwością rozszerzenia w górę – do 25 600 (odpowiednik) lub w dół – do 50 (odpowiednik) zapewnia wspaniałe możliwości fotografowania przy słabym świetle. Inteligentny system redukcji szumów pozwala na pełną kontrolę czułości przy zachowaniu najdrobniejszych szczegółów obrazu. Dzięki temu obrazy są ostre i czyste niezależnie od warunków oświetleniowych.

Nikon D610 został wyposażony w nowoczesny procesor przetwarzania – EXPEED 3. Dzięki temu aparat z łatwością radzi sobie z przetwarzaniem dużych ilości danych bez uszczerbku dla szybkości i jakości. 16-bitowa technologia przetwarzania obrazu pozwala uzyskać większe niż kiedykolwiek wcześniej bogactwo szczegółów, barw i odcieni oraz zapewnia płynne przejścia tonalne w całej skali kolorystycznej, aż do czystej bieli – nawet na zdjęciach rejestrowanych w formacie JPEG.

Zastosowany w modelu D610 39-punktowy system Multi-CAM4800 firmy Nikon gwarantuje szybkie i precyzyjne działania systemu AF. Do aparatu pasują obiektywy o otworze względnym optyki do f/8 i czułości do –1 EV (ISO 100, 20°C), więc nawet w trudnych warunkach oświetleniowych można uzyskiwać ostre zdjęcia. Różnorodne tryby autofokusu, takie jak AF z dynamicznym wyborem pola i śledzenie 3D, pozwalają zachować ustawienie ostrości nawet na najmniejszych obiektach, bez względu na to w jak nieprzewidywalny sposób się one poruszają.

Filmy w rozdzielczości Full HD (1080p) można nagrywać w formacie 30p, 25p i 24p, z opcjonalnymi prędkościami 60p, 50p i 25p przy 720p. Maksymalna długość filmów w rozdzielczości Full HD wynosi ok. 29 minut i 59 sekund. Rozdzielczość Full HD (1080p) jest dostępna zarówno w formacie FX, jak i DX, co zapewnia wyjątkową swobodę filmowania. W filmach zarejestrowanych za pomocą aparatu Nikon D610 jakość dźwięku jest równie wysoka jak jakość obrazu. Złącze mikrofonowe umożliwia korzystanie z zewnętrznego mikrofonu stereofonicznego gwarantującego czysty i wyraźny dźwięk, a wyjście audio - dzięki możliwości podłączenia słuchawek - pozwala na bieżąco monitorować zapisywaną ścieżkę dźwiękową. Aparat Nikon D610 oferuje możliwość wysyłania nieskompresowanego strumienia video w formacie 1080p w czasie rzeczywistym na zewnętrzne urządzenie nagrywające. W przypadku wykrycia zewnętrznego monitora format sygnału jest automatycznie zmniejszany do 1080i. Nieskompresowane dane są przekazywane w wybranej wielkości zdjęcia i z wybraną liczbą klatek na sekundę, bez nakładki zawierającej informację, która może być jednocześnie wyświetlana na monitorze TFT aparatu.

Lustrzanka Nikon D610 oferuje rewolucyjny zaawansowany system rozpoznawania scenerii firmy Nikon, z czujnikiem RGB 2016 pikseli, który dokładnie analizuje każdą scenę, aby zapewnić jak najwierniejsze odwzorowanie obrazu. Czujnik został wyposażony w precyzyjną funkcję rozpoznawania ludzkich twarzy, dostępną również przy użyciu samego wizjera optycznego, a także rozpoznawania barwy i jasność scenerii. Ten poziom szczegółowej analizy scenerii umożliwia również dokładniejsze działanie autofokusu, automatycznej ekspozycji i ekspozycji błysku i-TTL w zróżnicowanych warunkach kompozycyjnych i oświetleniowych. Dzięki temu funkcja śledzenia obiektu 3D w przypadku fotografowania niewielkich obiektów działa jeszcze lepiej. W aparacie zastosowano ponadto system AF Multi-CAM4800 firmy Nikon dający możliwość wyboru poszczególnych punktów pomiaru lub skonfigurowania zestawu 9, 21 lub 39 punktów. Udoskonalony czujnik autofokusu i algorytmy znacząco poprawiają czułość podczas robienia zdjęć w słabych warunkach oświetleniowych przy otworze względnym optyki do f/8 — aż do –1 EV (ISO 100, 20°C). Dzięki uproszczonej selekcji wyboru trybu AF (AF-A, AF-S i AF-C) nie trzeba odrywać oczu od wizjera podczas wybierania ustawień.

Nikona D610 wyposażono w podwójne, szybkie gniazda kart SD (SDXC i UHS-I).

Precyzyjny, szerokokątny wyświetlacz LCD o przekątnej 3,2 cala i rozdzielczości ok. 921 tys. punktów z funkcją automatycznego sterowania jasnością zapewnia jasność i ostrość odtwarzanych obrazów i wierną reprodukcję kolorów. Jasność wyświetlacza LCD jest automatycznie dostosowywana do warunków otoczenia. Wizjer optyczny z pełnym pryzmatem z bloku szkła zapewnia blisko 100-procentowe pokrycie kadru i powiększenie 0,7 razy (obiektyw 50 mm f/1,4 przy ustawieniu do nieskończoności, -1,0 m-1). Elektroniczny, dwuosiowy wirtualny horyzont umożliwia precyzyjne potwierdzenie wypoziomowania zdjęcia na wyświetlaczu LCD lub w wizjerze sprawdzające zarówno położenie aparatu w stosunku do płaszczyzny poziomej, jak i jego nachylenie (obrót w przód lub w tył).

Lista zmian i nowości wprowadzonych w lustrzance Nikon D610 liczy dokładnie trzy pozycje. Zupełnie nowym elementem jest mechanizm migawki. Ulepszenie tego komponentu zaowocowało minimalnym wzrostem prędkości zdjęć seryjnych z 5,5 kl/s w D600 do 6 kl/s w D610. Pojawił się też cichy tryb seryjny oferujący prędkość 3 kl/s. Ostatnią nowością jest lepsze działanie automatycznego balansu bieli. Wszystkie pozostałe funkcje i cechy nie zmieniły się w stosunku do modelu D600.