每台高速成像相机都是一个完整的光电系统，包含光学原件、光机械、探测器、外壳和电子数据存储和控制组件。但在一般情况下，任何相机的性能参数都是由图像传感器决定的；因此，所有高速成像相机其他系统组件的设计，都是围绕图像传感器来展开的。
通常，高速成像相机CMOS传感器被认为是高速成像应用的*选择。不同于像素数量有限的CCD传感器，将输入光转换为电压信号，然后通过数量有限（一个到几个）的输出节点以模拟信号的形式发送出芯片；CMOS传感器的芯片内包含放大器和数模转换器（DAC），避开了CCD图像处理的高功耗和较慢的读出速度。
“CMOS传感器是许多高速相机的核心，主要考虑到其较高数量的传感器通道，用于实现迅速的光子/电子转换，快速将电子从传感器送走。”美国Photron公司销售和市场营销总监Andrew Bridges说，“大量的DAC可以成为大的发热体，因为这需要更多的内存。幸运的是，CMOS中理想的板载内存情况，也可以通过快速数据卸载技术来实现。”
高速成像相机除了减少生热和传感器噪声，“光灵敏度是高速成像应用中的一个关键因素。”Bridges说，“当FASTCAM SA5在2008年左右推出时，10000的ISO值给人们留下了深刻的印象。现在，FASTCAM SA-Z中新的传感器电子产品，为12位单色相机提供50000的ISO值，为36位Bayer彩色相机提供20000的ISO值，两者均采用20μm2的像素。”Bridges介绍说，通过开发新的电路设计，大大降低了噪声，提高了增益，从而提高了灵敏度。
“我们根据真正的行业ISO Ssat 12232标准，来衡量FASTCAM相机在高帧率下的光灵敏度，在同样的照明条件下采用更快的快门/曝光速度和更大的景深，无需更多的照明。”Bridges说。
高速成像相机标准面阵相机的一种替代方案是线阵相机。线阵相机的速度不是以每秒帧数来衡量，而是以频率来衡量，即在被扫描的物体运动的情况下，线阵相机每秒能够扫描的线数，每条线携带数千像素信息，用于采集数据。线阵相机具有更短的曝光时间，通常与高亮度光源配合，用于工业机器视觉应用。
德国Chromasens公司的三线相机，通过布置极其接近的三条RGB传感器线，实现以高水平的颜色度捕获移动物体的图像。该公司的allPIXA wave相机基于四线CMOS彩色线扫描传感器，线长高达15000×4行，工作速度为150kHz，吞吐量为850 Mpixels/s。