В основе камеры EOS-1D X Mark II лежит разработанный Canon датчик изображения CMOS. Этот датчик обладает высокой чувствительностью и снижает уровень шума на высоких и низких значениях ISO, а также обладает широким диапазоном и позволяет запечатлеть каждую деталь даже в темных областях. Полнокадровый датчик изображения CMOS с разрешением 20,2 МП и поддержкой расширенного диапазона, снижает уровень шума при низких и высоких значениях чувствительности ISO. Оснащенный сплошными микролинзами, гарантирует высокое качество изображения при любых условиях съемки. Благодаря увеличению количества пикселей при записи EOS-1D X Mark II дает большие возможностей обрезки, сохраняя при этом безупречный уровень детализации. В то же время увеличенный диапазон экспозиции позволяет оставлять композиции пере- и/или недоэкспонированными без серьезной потери детализации. 51200 — наивысшее собственное значение чувствительности ISO, но EOS-1D X Mark II позволяет увеличить его до ISO 409600 для съемки в особо темных местах. Даже в режиме «Авто ISO» можно использовать значение 1/8000 сек. для выдержки, также как и в ручном режиме — компенсацию экспозиции. 
Благодаря развитию встроенных функций обработки, камера EOS-1D X Mark II наряду с этими функциями включает новую функцию коррекции дифракции, которая применяется к изображениям JPEG во время съемки. Эта функция позволяет фотографам использовать небольшую диафрагму, не беспокоясь об ухудшении качества изображения из-за дифракции.
В EOS-1D X Mark II данные для коррекции периферийной яркости, хроматической аберрации и коррекции искажений уже хранятся в камере, что исключает необходимость корректировать аберрацию объектива в изображениях JPEG на компьютере. Эта функция также сможет принимать данные из любых будущих объективов со встроенными данными для коррекции аберрации, что устраняет необходимость регистрировать данные с помощью EOS Utility. Используйте 61 точку автофокусировки одновременно или сгруппируйте их в подвижные зоны, покрывающие объекты, смещенные относительно центра кадра. Кроме того, вы можете выбрать одну точку, чтобы четко сфокусироваться на отдельной части сцены.
Автофокусировка по большой зоне, которая пользовалась популярностью на камере EOS 7D Mark II, была добавлена и в EOS-1D X Mark II. Она позволяет осуществлять слежение за движущимися объектами, что оказывается действительно полезным для получения точной композиции кадра при съемке объектов в движении.