小米5S采用了一颗索尼IMX378 CMOS传感器，感光元件尺寸大1/2.3英寸(6.20×4.65毫米)，已经赶上了普通的卡片式数码相机，同时比iPhone 6S Plus大了59％。
同时，单个像素的尺寸也达到1.55微米，比起iPhone 6S Plus又大了61％。
小米称，小米5S是一台超感光相机，而且还给这个摄像头起了个特殊的名字，叫做“暗夜之眼”，声称它白天和夜晚都能拍出好照片，即使在逆光和暗光下，表现依然出色。