Das neue Modell bietet einen 16,2 Megapixel CMOS-Sensor im DX-Format mit einem Empfindlichkeitsbereich von 100 bis 6.400 ISO, der auf bis zu 25.600 ISO erweitert werden kann. Wichtigstes äußeres Merkmal der neuen Nikon D5100 ist das 7,5 cm große, um 180° schwenkbare und um 270° drehbare Display, das auch Aufnahmen aus ungewöhnlichen Perspektiven möglich macht. Mit 921.000 Pixeln wurde die Bildqualität deutlich verbesser.
Wie das Vorgängermodell arbeitet der Autofokus der D5100 mit elf Messfeldern; die Serienbildrate beträgt 4 Bilder pro Sekunde. Beschleunigt wurde die Kontrast-Autofokus-Funktion bei Live-View-Aufnahmen. Dabei kann bei der D5100 zwischen Live-View und Sucherbild mit Hilfe eines auf der Kamera angebrachten Schnapphebels schnell hin und her geschaltet werden. Die Wirkung von digitalen Effekten und Motivprogrammen ist sofort auf dem Display zu erkennen. Die D5100 ist zusätzlich mit Porträt-Autofokus und Motiv-Verfolgung ausgestattet.
Mit der Picture-Control-Funktion stehen sechs Einstellungen zur Auswahl, mit denen das Erscheinungsbild und die Stimmung der Fotos individuell angepasst werden können: Standard, Neutral, Brillant, Monochrom, Porträt und Landschaft. Die Anwender haben zudem die Wahl zwischen 16 Motivprogrammen. Auf Wunsch nimmt eine Motivautomatik die Auswahl und stellt automatisch eins der vier Motivprogramme Porträt, Landschaft, Nahaufnahme oder Nachporträt ein. Für kontrastreiche Motive bietet die Nikon D5100 eine HDR-Funktion, bei der die Kamera beim Auslösen gleich zwei Aufnahmen schießt, die automatisch zu einem ausgewogenen Foto kombiniert werden. Zusätzlich steht die Active D-Lighting Funktion von Nikon zur Verfügung.
Für ungewöhnliche Bildwirkungen bietet die Nikon D5100 auf Knopfdruck digitale Effekte. So führt die gezielte Einengung der Schärfentiefe zu einem Miniatureffekt, im High-Key-Modus werden helle, leuchtende Bilder erzeugt, während im Low-Key-Modus dunkle, eindrucksvolle Fotos mit markanten Spitzlichtern erzielt werden. Im Modus Selektive Farbe können bis zu drei Farben ausgewählt und im Bild dargestellt werden, die Funktion Silhouette erzeugt einen simulierten Gegenlicht-Effekt, mit der Nachtsicht-Funktion können bei extrem dunkler Umgebung schwarz-weiß Bilder mit einer Empfindlichkeit von bis zu 100.000 ISO aufgenommen werden, und der Modus Farbzeichnung verwandelt die Bilder in farbenfrohe Zeichnungen. Alle digitalen Effekte stehen auch für Videoaufnahmen zur Verfügung, wobei sich je nach Rechenaufwand die Bildfolgefrequenz deutlich verringern kann.
Die Nikon D5100 bietet eine Full-HD-Video-Funktion (1.080p); die Übertragung der bewegten Bilder zum TV ist über die HDMI-Schnittstelle besonders komfortabel. Als Ergänzung zum eingebauten Mikrofon bietet Nikon zusätzlich das externes Stereo-Mikrofon ME-1 an (UVP 149,- Euro), das speziell für den Einsatz an Spiegelreflexkameras konstruiert wurde.