Для обработки изображений фотокамера PENTAX  645D использует уже зарекомендовавший себя фирменный микропроцессор PRIME II. Совокупность мощности и новых алгоритмов, специально разработанных для среднеформатных решений, позволяет получить высококачественную картинку со всем богатством полутонов и цветов. При этом процессор легко обрабатывает большие объемы информации, которыми в частности характеризуются RAW-файлы. Трансформация картинки в цифровые данные осуществляет высококачественным 14-битным аналого-цифровым преобразователем, исключающим потери в тональном балансе и детализации.

Вся эта электроника облачена в корпус из легкого сплава стали и магния, отличающегося повышенной прочностью. Для изготовления шасси использовался алюминиевый сплав, гарантирующий температурную стабильность. Защита жидкокристаллических дисплеев как от пыли, так и от воды обеспечена сверхпрочными стеклами. Несмотря на компактность корпуса, разработчикам удалось оснастить его 70 уплотнительными прокладками, благодаря чему фотокамера не боится ни пыли, ни влаги и может работать при температуре до -10°С. А если пыль все же попадет в аппарат, с ней легко справиться с помощью механизма PENTAX Dust Removal II. Система основана на пьезоэлектрических элементах, производящих ультразвуковую встряску фильтра сенсора.

Устройство использует новую систему автоматической фокусировки – SAFOX IX+, оснащенную 11 датчиками, 9 из которых крестообразные. Разработчики этой системы основательно пересмотрели оптическую часть и добавили функцию анализа и использования информации об источниках света в кадре. Для точного определения экспозиции аппарат использует 77-зонную систему замера яркости объекта съемки. При настройке используются такие данные, как ориентация снимка, масштаб объекта и расстояние до него.

Для создания сюжета фотограф может использовать крупный оптический видоискатель или высококачественный дисплей. Видоискатель имеет стеклянную призму в форме трапеции и отображает порядка 98% площади будущего кадра. Особая конструкция видоискателя позволила значительно уменьшить габариты фотоаппарата. 3-дюймовый жидкокристаллический экран с антибликовым покрытием расположен на задней панели устройства.  Дисплей имеет разрешение около 921 тысячи пикселей и угол обзора – 170°.

Отснятые материалы сохраняются на флэш-карты типа SD/SDHC. При этом камера оснащена сразу двумя слотами для карт памяти, что обеспечивает дополнительную гибкость при работе. Так, фотограф может настроить сохранение данных на разные накопители в соответствие с форматом изображения. Более того, одну карту можно задействовать в качестве резервного хранилища информации.