感光元件
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感光元件大小对比。A是中画幅，B为35mm胶片及常规单反，C为消费级数码相机
相对于传统使用的单眼相机，数位单眼相机是以电荷耦合元件（Charge-coupled device，CCD）或互补式金属-氧化层-半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）之类感光元件捕捉透过镜头进入机身内的光线，转换为电子讯号以数位方式储存于特定规格的储存媒介中（通常是快闪记忆体类的设备），以取代传统单眼相机的溴化银盐底片。
以往DSLR的感光元件都是CCD，但由于CMOS造价便宜，加上耗电量低以及数据传输速度快，与CMOS成像品质已大幅改进不似过去与CCD成像品质有不小的落差，所以目前大部分新型DSLR都以CMOS作为感光元件。
光学原理
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相对于一般的消费型数位相机，数位单眼相机具有截然不同的光学特性，例如大部分的DSLR都是倚靠光学观景窗（Optical View Finder，OVF）取景，一些较后期的机种则增加被称为“实时取景”（LiveView）的电子观景窗（EVF）功能来作为辅助。OVF内的影像是利用棱镜或其他光学原理自主镜头中的进光折射成相，相比之下一般消费型数位相机的观景窗大都采用数位显示或复眼成像原理来运作。
然而，DSLR（乃至于所有的SLR）依靠反射原理取景而不能使用机背的LCD显示器来呈现画面，是基于原来胶片单反相机的结构背景，因此是一种功能上的限制而非优势。2005年[1]Fujifilm FinePix S3 Pro相机的推出突破了传统，可以用OVF或LCD取景（打开反光镜和快门帘，把SuperCCD上的影像直接显示在机背LCD的方式，又称为“Live Image Mode”或Live View），更加接近一般数码相机的使用，（唯第一代Fujifilm S3pro采用黑白画面），使得普通数码相机和数码单镜反光相机的界限将越来越模糊。在继Fujifilm、Olympus（加以彩色化改良）之后，Panasonic、Canon、Nikon、Pentax和Sony也都推出了不同形式的Live View，使得DSLR上的Live View功能越来越普及。
镜头
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Olympus E-30剖面构造
LCD显示功能
内部的CMOS sensors
数位单眼相机与大部分的单眼相机一样，通常都是采取镜头可拆换（Interchangable Lens）的设计。但要注意的是，这特性只是在绝大部分的此类相机上成立却并非完全成立，因为曾经有少部分使用单眼光学原理的数位与银盐相机，其主镜头与机身采一体制造不能拆换的设计。
焦长比
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由于大面积的数位感光板制造成本高昂，迄今只有较昂贵的专业级或中高阶数位单眼相机，才会配备尺码相当于35mm银盐底片的全片幅（24mm x 36mm）感光板。除此之外，与一般的数位相机同样，大部分的数位单眼相机都是采用面积小于35mm底片的感光板。依照光学原理，由于小面积感光板所需的成像圈较小，因此感光板离成像镜片的距离可以设计得比35mm相机短，较短的成像焦长配合上一样曲光率的镜片，结果是其采像焦长会比35mm来得长，而此焦长增加的倍率，正好就是数位感光板与35mm底片的对角线长度比一致，称为焦长比。焦长比是只有可以拆换镜头、但却又未使用全尺码感光板的数位单眼相机才需注意的特殊性能数据。
依照此特性，一架搭载尺码相当于先进摄影系统（Advanced Photo System，APS）底片面积大小感光板的数位单眼相机，其焦长比大约是在1.5:1至1.6:1左右。如果我们在这架数位相机上装置一焦长200mm的镜头（无论是数码单反专用还是传统的菲林单反所用），则它实际上成像的可视角度会相当于200mm x 1.6 = 320mm焦长的镜头安装于35mm菲林相机上的可视角度，这原理可以类推到各种焦长不同的定焦或变焦镜头上。需要留意的是焦长比是根据镜头的可视角度作比较而非其实际焦距，一个APS-C数码单反相机专用的镜头（如佳能的EF-S 18-55mm f3.5-5.6），其所标示的焦距仍为其物理上的实际焦距。
数位单眼相机专用镜头
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近年来由于数位单眼相机的普及，有许多光学厂商开始制造一种针对非全尺码感光板数位单眼相机而开发的数位专用可拆换镜头，这种镜头拥有适合数位相机的成像圈大小。其优点是在同样的焦长下，数位专用的镜头无论是体积、重量还是成本都能比传统银盐相机降低，但是，如果我们将数位相机专用的镜头装在传统银盐单眼相机上使用的话，会在画面中出现所谓的“暗角”现象，也就是成像圈包含不了整个底片的范围，因此在底片的边缘处产生黑色的阴影。严重时，甚至会发生镜片组在近端（广角端）时触碰推挤到感光元件（例如底片架）造成损坏的可能。
除了成像圈大小的差异外，由于棱镜效应，玻璃与塑胶等组成镜头透光部位的物质，对于各种颜色的光线之折射率有落差，因此容易在镜头处于广角端时，于画面的边缘产生渗色现象（同一个影像不同颜色的部分，因为折射率不同而而在画面边缘处分开），降低画面的锐利度。这种情况虽然在传统相机上也会遇到，但在数位相机上却特别明显，为了解决这问题，通常要配合数位摄影而开发的镜头都会加装特殊的低色散镜片或于镜头上镀上特殊镀膜，这也是数位摄影适用或专用镜头在设计上一个与以往不同的特色。