D3100使用一颗DX格式21.1x15.4mm 1420万像素CMOS传感器，最大照片分辨率为4608x3072，感光度ISO 100-3200（可扩ISO 12800），每秒3张连拍，支持感光元件除尘。Multi-CAM 1000 11点自动对焦模块，全新EXPEED 2图像处理器，支持最多35人面部识别自动对焦，支持Live View液晶屏实时取景。
新CMOS
D3100的视频拍摄功能支持1920x1080分辨率24FPS或1280x720分辨率30FPS视频，格式为MOV（H.264/MPEG-4 AVC）。视频拍摄时可使用AF-F（全时伺服自动对焦）模式，不需要按下快门键即可让拍摄对象保持在对焦范围内。支持HDMI接口视频输出。
主板和EXPEED 2处理器
D3100对软件系统中的引导模式进行了改良，内置场景自动选择器，新的曝光补偿算法改进机内NEF（RAW）处理。另外，机身操作设计也进行了修改，增加了独立的视频拍摄按钮，实时取景开关和连拍模式选择器。
自动对焦和测光模块
其他方面，D3100基本继承了D3000的规格，包括95%视野率，0.8放大率五面镜取景器，3寸23万像素液晶屏，SD/SDHC/SDXC卡存储。EN-EL14锂电池可拍摄约550张。整机尺寸124x96x74.5mm，重455g。
