CMOS（互補金屬氧化物半導體）感光原理涉及以下關鍵組件和步驟：
感光二極體。負責將接收到的光子轉換為電子，實現光電轉換。
浮動式擴散層和傳輸電極門。在曝光階段，感光二極體產生信號電荷，之後傳輸電極門打開，將信號電荷傳送到浮動式擴散層。
起放大作用的MOSFET。將信號電荷轉換為電壓信號，進而實現模擬信號的放大。
像素選擇開關。允許特定像素的選擇和讀取。
CMOS圖像感測器可以分為前照式和背照式兩種類型，主要區別在於光線與半導體材料的相互作用方式。前照式感測器中，光線首先到達光電二極體，然後經過金屬連線層，而背照式則將金屬連線層放在光電二極體之後，從而減少了光線在到達光電二極體前的損失。
CMOS感光元件中的放大器屬於模擬器件，無法保證每個像點的放大率都保持嚴格一致，這可能導致圖像中出現噪聲。每個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯，當感光二極體接受光照產生模擬電信號後，電信號首先被放大器放大，然後直接轉換成對應的數位訊號。這些數位訊號合併後被送交DSP晶片處理。
現代彩色CMOS通過在黑白圖像感測器上增加拜耳色彩濾波陣列（CFA）來實現從黑白到彩色的成像，每個像素只吸收一種顏色的光，然後通過特定的像素單元根據每個像素單色光的信號強弱合成對應的顏色。