Das Herzstück, der Sensor, ist mit 36 x 24 mm so groß wie ein Kleinbildnegativ und löst 21,1 Megapixel auf – das ist genau so viel, wie auch die EOS 1Ds Mark III, das derzeitige Topmodell bei Canon, zur Verfügung hat, und immerhin über acht Megapixel mehr als der Vorgänger zu bieten hatte. Durch ein neues Mikrolinsenlayout dürfte der Sensor der 5D Mark II im Vergleich zur 1Ds Mk III allerdings sogar etwas besser im Rauschverhalten sein.