EOS 5D Mark III搭载了全新研发的约2230万像素、约36×24毫米全画幅CMOS图像感应器，实现了常用感光度ISO 100-25600的宽广范围（感光度扩展时是ISO 50-102400）。大型图像感应器的面积是一般APS-C画幅图像感应器的约2.5倍，具有更多技术优势，能得到全画幅机型才有的高解像感。通过镜头的光由图像感应器上高密度配置的像素转换成电子信号，因此单个像素的面积是决定图像感应器性能的重要因素之一。像素数增加，单个像素的面积会变小，聚光量降低，这样会对画质产生不好的影响。像素面积越大，各像素的聚光率就越好，可以从图像感应器中读取低噪点的清晰图像信号。EOS 5D Mark III的全画幅图像感应器为追求分辨力、画质、高感光度低噪点性能、宽动态范围、连拍性能的平衡，采用了约2230万有效像素。另外，投入了多项技术以提高画质。无间隙微透镜构造是提高聚光率的技术之一，通过消除CMOS图像感应器上相邻微透镜之间的间隙，使各像素能更有效地聚光。此外根据画面中央和周边光线的不同入射角，将微透镜调整为适合的形状和角度，连周边部分的像素也能接收充足的光量，实现了高感光度低噪点和更宽广的动态范围。另外，由于全画幅图像感应器能将镜头本身的性能充分发挥出来，还能活用大幅虚化享受细致表现的乐趣。佳能相机的图像感应器和数字影像处理器都是自主研发、生产，能够根据各部件的特性进行适合的图像处理。有了这些技术，能够实现整个ISO感光度范围内的大幅降噪，甚至超越技术上看似难以两全之处，同时实现了高像素和低噪点化。
数码单反相机的画质并非只由图像感应器决定，将此能力发挥出来的数字影像处理器也至关重要。EOS 5D Mark III搭载了显像处理速度为DIGIC 4约17倍的DIGIC 5+数字影像处理器。通过8通道高速读取并处理约2230万像素图像感应器获取的大量信息，拥有优秀层次性的14比特图像处理，处理能力得到了提高，实现更精细降噪处理的同时也可即时补偿镜头光学特性，获得高画质。DIGIC 5+数字影像处理器广泛支持着约2230万像素全画幅图像感应器条件下的最高约6张/秒高速连拍，以及从图像回放到RAW显像处理等相机内的多项图像处理。EOS 5D Mark III除了有HDR（高动态范围）拍摄模式和多重曝光拍摄等高级功能，即使将高ISO感光度降噪设为“强”，连拍张数也不会减少，依然能迅速响应进行拍摄。同时DIGIC 5+数字影像处理器在短片拍摄时也可发挥威力，大幅改善了短片拍摄时的伪色彩和摩尔纹，也实现了更清晰的画质。此外，针对高速处理等带来的电池耗电量增大问题，系统实施了省电化处理，能充分利用一块标准电池的电力。
HDR（High Dynamic Range）拍摄模式是指通过数码处理补偿明暗差、拍摄具有高动态范围的照片表现方法。EOS 5D Mark III可以将曝光不足、标准曝光、曝光过度的3张图像在相机内合成，拍出高光溢出和暗部缺失少的图像。一般是针对明暗差大的场景比较有效，但拍摄低对比度（阴天等）的场景也能够强化阴影等而得到戏剧性的视觉效果。选择HDR模式可以将动态范围设为自动、±1EV、±2EV或±3EV。合成方法有5种可选。“自然”是能够在拍摄明暗差极大的场景时得到接近人眼所见自然效果的模式，可广泛应用于风光和夜景拍摄等。“标准绘画风格”比“自然”的效果更强，将暗处表现得更明亮。“浓艳绘画风格”的特点是表现插图一般的质感，用于明暗差大的夜景等拍摄时很有效。此外，“油画风格”进一步强化了色彩饱和度，因此适合拍摄画面内颜色多的场景等。“浮雕画风格”则能够得到被摄体轮廓发光的效果，拍出特点鲜明的图像。除此之外，EOS 5D Mark III还搭载了多重曝光功能。多重曝光次数为2至9次，有4种图像重合方式可选。“加法”是像胶片相机一样，简单地将多张图像重合，由于不进行曝光控制，合成后的照片比合成前的照片明亮。“平均”在进行合成时控制照片亮度，针对多重曝光拍摄的张数自动进行负曝光补偿，将合成的照片调整为合适的曝光。选择“加法”或“平均”还可通过如改变焦点位置进行多重曝光拍摄的方式得到柔焦的效果。另外“明亮”和“黑暗”是将基础的图像与合成其上的图像比较后，只合成明亮（较暗）部分，适合在想要强调主被摄体轮廓的图像合成时使用。
