Alih-alih mengekspos bahan kimia fotosensitif yang dikenal sebagai film ke adegan untuk membuat gambar tercetak, sebagian besar kamera digital menggunakan perangkat charge-coupled (CCD), instrumen elektronik yang membuat peta piksel berdasarkan muatan listrik yang dihasilkan ketika foton menabrak bahan sensitif. Fenomena ini disebut efek fotolistrik, dan dijelaskan oleh Albert Einstein dalam makalah terkenal tahun 1905. Lebih jarang digunakan daripada CCD adalah semikonduktor-logam-oksida-semikonduktor (CMOS).
Istilah kamera berbasis CCD terkadang digunakan secara bergantian dengan kamera digital, karena pada dasarnya kamera berbasis CCD mengambil gambar — foto dengan resolusi piksel demi piksel tertentu yang dapat dikodekan secara digital. File-file ini dapat dengan mudah ditransfer dari kamera ke banyak perangkat, termasuk komputer, layar, telepon, dan printer.
Perangkat charge-coupled adalah sirkuit terintegrasi, yang berarti menggunakan beberapa elemen semikonduktor pada platform terpadu untuk mencapai tujuannya. Komponen aktif dari kamera berbasis CCD adalah kapasitor. Ini terhubung dalam sebuah sirkuit, itulah sebabnya mereka disebut charge-coupled. Kapasitor adalah perangkat elektronik dasar yang menyimpan perbedaan potensial, atau tegangan, dalam varians antara dua pelat dengan muatan listrik yang sama tetapi berlawanan.
Sebuah lensa memproyeksikan gambar ke CCD, dan setiap kapasitor memperoleh muatan yang sebanding dengan kecerahan cahaya yang masuk. CCD pada dasarnya tidak peka terhadap warna, dan untuk mengambil foto berwarna, topeng Bayer harus digunakan untuk menyaring cahaya secara selektif ke dalam piksel yang ditentukan berdasarkan warna. Setelah memperoleh muatan, kapasitor mulai meneruskan muatannya ke kapasitor yang berdekatan dengan cara rantai daisy yang digabungkan muatan. Sebuah register di akhir array membuat pengukuran yang sesuai, dan peta piksel 2D dibuat.
Karena sensitivitasnya terhadap cahaya sekitar 35 kali lipat dari kamera konvensional, mendekati batas kuantum, kamera digital sering disukai oleh fotografer acara dan astrofotografer. Karena kurangnya komponen kimia aktif, gambar tidak perlu “dikembangkan” dan disimpan langsung di kamera segera setelah eksposur.