Wie bei den Vorgängerinnen setzt Sony in das Gehäuse der RX100 M3 einen 20-Megapixel-Sensor mit den Maßen 13,2 mm × 8,8 mm ein. Dem Sensor der RX100 M3 springt Sonys aktueller Bionz-X-Bildprozessor zur Seite, der unter anderem auch in den Vollformatkameras der Alpha-7-Serie oder in der Edelkompakten RX10 arbeitet. Er steht für eine sehr schnelle Bildverarbeitung und soll besonders verlässlich feine Texturen und Details reproduzieren können. Effektiver soll mit ihm auch die flächenspezifische Rauschunterdrückung funktionieren, was gerade bei High-ISO-Aufnahmen Vorteile bringen kann. Die Empfindlichkeit des Sensors reicht wie bei der Vorgängerin RX100 M2 von ISO 100 bis ISO 25.600.
