每臺高速成像相機都是一個完整的光電系統，包含光學原件、光機械、探測器、外殼和電子數據存儲和控制組件。但在一般情況下，任何相機的性能參數都是由圖像傳感器決定的；因此，所有高速成像相機其他系統組件的設計，都是圍繞圖像傳感器來展開的。
通常，高速成像相機CMOS傳感器被認為是高速成像應用的*選擇。不同于像素數量有限的CCD傳感器，將輸入光轉換為電壓信號，然后通過數量有限（一個到幾個）的輸出節點以模擬信號的形式發送出芯片；CMOS傳感器的芯片內包含放大器和數模轉換器（DAC），避開了CCD圖像處理的高功耗和較慢的讀出速度。
“CMOS傳感器是許多高速相機的核心，主要考慮到其較高數量的傳感器通道，用于實現迅速的光子/電子轉換，快速將電子從傳感器送走。”美國Photron公司銷售和市場營銷總監Andrew Bridges說，“大量的DAC可以成為大的發熱體，因為這需要更多的內存。幸運的是，CMOS中理想的板載內存情況，也可以通過快速數據卸載技術來實現。”
高速成像相機除了減少生熱和傳感器噪聲，“光靈敏度是高速成像應用中的一個關鍵因素。”Bridges說，“當FASTCAM SA5在2008年左右推出時，10000的ISO值給人們留下了深刻的印象。現在，FASTCAM SA-Z中新的傳感器電子產品，為12位單色相機提供50000的ISO值，為36位Bayer彩色相機提供20000的ISO值，兩者均采用20μm2的像素。”Bridges介紹說，通過開發新的電路設計，大大降低了噪聲，提高了增益，從而提高了靈敏度。
“我們根據真正的行業ISO Ssat 12232標準，來衡量FASTCAM相機在高幀率下的光靈敏度，在同樣的照明條件下采用更快的快門/曝光速度和更大的景深，無需更多的照明。”Bridges說。
高速成像相機標準面陣相機的一種替代方案是線陣相機。線陣相機的速度不是以每秒幀數來衡量，而是以頻率來衡量，即在被掃描的物體運動的情況下，線陣相機每秒能夠掃描的線數，每條線攜帶數千像素信息，用于采集數據。線陣相機具有更短的曝光時間，通常與高亮度光源配合，用于工業機器視覺應用。
德國Chromasens公司的三線相機，通過布置極其接近的三條RGB傳感器線，實現以高水平的顏色度捕獲移動物體的圖像。該公司的allPIXA wave相機基于四線CMOS彩色線掃描傳感器，線長高達15000×4行，工作速度為150kHz，吞吐量為850 Mpixels/s。