佳能EOS 6D搭载了约2020万有效像素的全画幅CMOS图像感应器。CMOS图像感应器的面积达到了35.8×23.9毫米，是APS-C规格的约2.6倍，提高聚光率，像素面积约为6.55×6.55微米；采用了通过消除相邻微透镜之间间隙、提高开口率的无间隙微透镜技术，通过这些技术上的改善，增加了可以转换为电子信号的光量，提高了信噪比，充分发挥各像素的威力，从而实现了充满真实感的表现效果。
佳能EOS 6D采用的DIGIC 5+数字影像处理器与EOS-1D X和EOS 5D Mark III相同。可高速高精度地处理约2020万有效像素全画幅图像感应器获取的庞大数据，获得高画质的影像。ISO感光度可扩展至ISO50-102400，它具有扩展ISO感光度设置功能，和EOS5D Mark III同样可以选择L（相当于ISO 50）、H1（相当于ISO 51200）、H2（相当于102400）的ISO感光度。
