核心性能上，佳能1D X Mark II采用了新开发的约2020万有效像素全画幅CMOS图像感应器，同时该机也是EOS首款应用全像素双核CMOS AF技术的全画幅机型。1D X Mark II配备了双DIGIC 6+影像处理器，最高可实现约14张/秒高速连拍，在实时取景模式下，1D X Mark II可达到最高约16张/秒的连拍速度。新CMOS图像感应器的信噪比因此得以进一步改善，其标准感光度最高可达到ISO 51200，扩展感光度最高可达ISO 409600。
在对焦上，佳能1D X Mark II搭载进一步扩大对焦区域覆盖范围的第二代61点自动对焦系统（61点高密度网状阵列自动对焦II）实现了最多61个对焦点对应F8光圈（其中21个为十字型对焦点）。同时，借助首次应用在EOS全画幅机型上的全像素双核CMOS AF技术，用户可以直接利用背部液晶监视器进行触摸式对焦拍摄，并可实现对焦的高精确度以及高对焦速度。视频拍摄上，1D X Mark II能够拍摄DCI 4K（4096×2160像素） 60P/50P超高清短片时长最长为29分59秒。
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