Najważnieszymi zmianami dokonanymi w modelu D3100 jest nowa matryca CMOS o rozdzielczości 14.8 Mpix, możliwość nagrywania filmów w pełnej rozdzielczości full HD oraz funkcja Live View. D3100 został wyposażony w nowoczesną matrycę APS-C (DX) CMOS o rozdzielczości 14.8 miliona pikseli. Tradycyjnie dla nowoczesnych lustrzanek zastosowano układ samoczynnego usuwania zanieczyszczeń z powierzchni matrycy. W D3100 jest on dodatkowo wspierany przez system sterowania przepływem powietrza.

W komorze lustra umieszczono kanały ograniczające i regulujące ilość przepływającego powietrza, co skutkuje ograniczeniem ilości zanieczyszczeń docierających do matrycy. Dodatkowo możliwe jest zbieranie danych porównawczych dla funkcji usuwania skaz ( wymaga opcjonalnego programu Capture NX 2 ). Przetwornik jest wspomagany przez zaawansowany układ przetwarzania obrazu EXPEED 2, który zapewnia wierne nasycone barwy i idealnie naturalne oddanie przejść tonalnych. Jego wykorzystanie pozwoliło także na ograniczenie poziomu szumów przy korzystaniu z wyższych ekwiwalentów czułości. Jest to niezwykle istotne gdyż w D3100 udostępniono szeroki zakres czułości, który wynosi nominalnie od 100 do 3200 ISO ( z rozszerzeniem do ISO 12800 ), ze skokiem co 1EV.

Procesor EXPEED 2, ma także wyraźny wpływ na szybkość aparatu, prędkość zdjęć seryjnych wynosi 3 klatki na sekundę. System autofokusa zawiera 11 czujników z tego centralny to czujnik krzyżowy. Układ pól idealnie sprawdza się w większości warunków zdjęciowych. W ekstremalnych warunkach oświetleniowych można skorzystać z diody wspomagającej AF. D3100, podobnie jak poprzednicy nie jest w pełni kompatybilny z obiektywami bez wbudowanego silnika autofokusa. Możliwe jest zamocowanie obiektywu bez wbudowanego silnika, ale w takim wypadku system autofokus nie będzie działał. Za pomiar światła i balansu bieli jest odpowiedzialny 420-pikselowy czujnik RGB ( 3D-Color Matrix II ). System rozpoznawania scenerii łączy dane z czujników autofokusa i pomiaru światła w celu precyzyjnego dobierania ekspozycji i wykonywania zdjęć o dużej ostrości.

Nowy intuicyjny interfejs graficzny menu, pozwala na wyświetlanie wszystkich zaawansowanych opcji lub tylko części z nich, dlatego ułatwiona została obsługa w przypadku mniej doświadczonych fotografów, którzy dopiero są w początkowej fazie nauki robienia zdjęć. Aparat posiada także zestaw skutecznych programów tematycznych, które pozwalają na wykonanie poprawnych zdjęć przy np. różnych warunkach oświetleniowych. Zupełną nowością jest wbudowany inteligentny tryb podręcznika. Dzięki niemu nawet zupełnie początkujący użytkownik uzyska wyczerpującą pomoc pozwalającą na wykonywanie zapierających dech w piersiach zdjęć. Tryb podręcznika doskonale sprawdza się w przypadku trudnych ujęć, ponieważ w celu uzyskania najlepszych wyników automatycznie optymalizuje ustawienia aparatu zgodnie z odpowiedziami udzielonymi przez fotografującego. Dla bardziej zaawansowanych osób przygotowano tryb manualny oraz preselekcję czasu i przysłony. Na uwagę zasługują też funkcje cyfrowego przetwarzania zdjęć. Dostępne są: D-Lighting ( zachowuje szczegóły w rozjaśnionych i zacienionych obszarach kadru, zapewniając doskonałej jakości zdjęcia o naturalnym kontraście ), kadrowanie, korekta czerwonych oczu, ustawienia standardowe, żywe, neutralne, monochromatyczne, portretowe i krajobrazowe, animacja poklatkowa i filtry. Mają one szczególne znaczenie w przypadku fotoamatorów, którzy nie zawsze posiadają wyszukane programy graficzne do obróbki zdjęć. Cyfrowy retusz w aparacie może się także przydać półprofesjonalistom, w sytuacji, gdy trzeba szybko dokonać niewielkiej korekty obrazu.

Bardzo dobre wrażenie wywiera zastosowany monitor LCD TFT o przekątnej 3 cali i rozdzielczości 230 000 punktów. Zapewnia on niezwykły komfort przy przeglądaniu zdjęć i obsłudze menu. Wzorem swojego poprzednika, D3100 wyposażono w automatyczny wyłącznik za pomocą czujnika zbliżenia oka. Parametry oraz informacje przedstawiane na ekranie LCD obracają się w zależności od orientacji aparatu w pionie lub poziomie, tak więc wszelkie informacje o pracy aparatu są zawsze wyświetlane poprawnie i łatwe do odczytania. Zasilanie stanowi dedykowany akumulator litowo jonowy EN-EL9a. Jako wyposażenie opcjonalne dostępny jest także zewnętrzny zasilacz sieciowy EH-5a. W zestawie jest wszechstronne oprogramowanie do edycji zdjęć PictureProject.

Nowością zastosowaną w D3100 jest możliwość nagrywania filmów w pełnej rozdzielczości HD 1920 x 1080 pix ( Full HD ) z szybkością 24 kl./s. Aparat wyposażono również w funkcje D-Movie, która pozwala na zapisywanie filmów wraz z dźwiękiem. Za jakość filmu odpowiada duża matryca oraz przetwornik CMOS. W aparacie można także wykonywać proste operacje edycji nagrań, takie jak usuwanie scen lub zapisywanie pojedynczych kadrów jako zdjęć. Aparat D3100 jest zgodny ze standardem HDMI, można go zatem połączyć do televizora HD.