カメラは、撮像素子に有効画素数2,070万画素のExmor RS for mobile、画像処理エンジンにBIONZ for mobile、レンズにGレンズを採用するのは従来どおりだが、画角は従来の27mm(35mm判換算時)に比べてさらに広角の25mmとなった。
最高ISO感度はISO12800に達し、明るさの乏しいシーンでもより明るく写真が撮れるようになった。プレミアもおまかせオートで暗所撮影する際に自動で増感するので、手動ではISO3200までしか設定できないようだ。電子式手ブレ補正は新方式になり、より精度が上がったという。4K動画の撮影機能も継続しており、ソニーモバイルの鈴木国正社長兼CEOは、「スマートフォンで世界最高のカメラとカムコーダー」と表現する。
Xperia Z2からハイレゾ対応が進化しており、USB DACなしでハイレゾ音源の再生に対応。対応フォーマットも増えており、さらに高音質化技術の「DSEE HX」も搭載し、ハイレゾ音源だけでなくMP3やMusic Unlimitedの楽曲も、より原曲に近い形で再生できるようになった。ちなみに、ハイレゾ音源の対応フォーマットの拡張はソフトウェアベースなので、Xperia Z2でも対応できる可能性がある。対応は言及されなかったが、期待したいところだ。