Ogni fotocamera è costituita da due parti fondamentali: un corpo, con un'apertura ad un'estremità per permettere alla luce di entrare (camera oscura) ed una superficie di registrazione (sensore) per catturare l'immagine luminosa all'altra estremità.
A questi due elementi basilari, si aggiunge una parte ottica, costituita da lenti e specchi, con lo scopo di raccogliere e convogliare la luce (obiettivo fotografico). La luce attraversa quindi un diaframma e un otturatore: il diaframma controlla la quantità di luce che entra nella camera durante la ripresa, mentre l'otturatore controlla la durata del tempo durante il quale la luce colpisce la superficie di registrazione.
Infine la luce arriva all'elemento sensibile (sensore) che cattura l'informazione luminosa e la "memorizza" in modo permanente.
Nella fotografia analogica l'elemento sensibile è costituito da una pellicola. Le prime pellicole (in realtà si trattava di lastre di vetro) usavano come elemento fotosensibile emulsioni di sali di argento. In seguito la tecnica e i materiali sono stati progressivamente migliorati, ma il concetto fondamentale è rimasto lo stesso: la luce modifica chimicamente i composti presenti, di modo tale che la minore o maggiore intensità di luce viene registrata sulla pellicola. Si tratta di una registrazione cosiddetta di tipo analogico, in quanto le modifiche impresse sulla pellicola sono proporzionali all'intensità di luce incidente.
Una fotocamera digitale è una fotocamera che utilizza, al posto della pellicola fotosensibile, un sensore elettronico in grado di catturare l'immagine e trasformarla in un segnale elettrico. Tale segnale elettrico viene quindi digitalizzato e trasformato in una serie di bit che vengono salvati su un supporto di memoria digitale (registrazione di tipo digitale):
I vantaggi della fotografia digitale rispetto a quella analogica sono molteplici e sono prevalentemente legati ai costi (non occorre acquistare la pellicola né stampare le foto) e alla semplicità di elaborazione delle foto (una volta occorrevano procedimenti spesso complessi in camera oscura, mentre oggi le stesse cose si fanno con un programma di fotoritocco) e alla comodità con cui le foto stesse possono essere condivise sul web.
Per quanto riguarda gli svantaggi, agli inizi dell'era digitale le foto digitali avevano una qualità decisamente inferiore a quelle su pellicola. Oggi però, con il progresso della tecnologia, la fotografia digitale ha raggiunto (e in alcuni casi persino superato) la fedeltà di riproduzione delle immagini della foto su pellicola.
Il tipo di sensore oggi più comunemente usato nelle fotocamere digitali è il CCD (charge coupled device). Alcune fotocamere usano invece sensori CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Entrambi i sensori convertono la radiazione luminosa in corrente elettrica. Il loro funzionamento è in qualche modo simili a quello dei pannelli fotovoltaici usati per produrre corrente elettrica attraverso la luce solare: è possibile pensare il sensore come una matrice composta di milioni di minuscole fotocellule.
I singoli pixel di cui si compone il sensore sono sensibili all'intensità luminosa ma non al colore. Per differenziare fra loro i diversi colori si usano dei filtri che scompone la luce nei tre colori primari della sintesi additiva: rosso, blu e verde. In pratica ogni pixel viene reso sensibile a uno solo dei tre colori primari attraverso un filtro colorato che fa passare solo la luce di quel certo colore. Il risultato è che il sensore è costituito da una griglia di microsensori, ciascuno sensibile a un colore primario, come mostrato in figura:
Questa disposizione di colori è nota come filtro di Bayer. Si noti che i pixel non sono equamente divisi fra i tre colori primari: la ragione di ciò è che l'occhio umano risulta maggiormente sensibile a certi colori (es. il verde) che non ad altri e dunque è più importante acquisire maggiori informazioni per quei colori.
L'immagine digitale risulta quindi composta da un mosaico colorato in tre soli colori. Il microprocessore che si trova dentro la fotocamera digitale si occupa quindi di ricostruire il vero colore di ogni pixel attraverso un processo detto interpolazione. A tale scopo vengono usati sofisticati algoritmi di demosaicizzazione. L'immagine qui sotto spiega come avviene il processo: la parte superiore mostra come la fotocamera "vede" l'immagine (come un mosaico dei tre colori primari); la parte inferiore mostra invece la stessa immagine dopo l'elaborazione con un algoritmo di demosaicizzazione:
Infine l'intero processo che parte dall'oggetto fotografato e porta al file immagine salvato sulla scheda SD della fotocamera è sintetizzato nell'immagine qui sotto:
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