Xiaomi 12S Ultra có thông số camera góc siêu rộng và ống kính zoom xa tương tự Mi 11 Ultra, nhưng camera chính vượt trội. Trong đó, hãng điện thoại Trung Quốc sử dụng cảm biến Sony IMX989 kích thước một inch tốt nhất hiện nay, độ phân giải 50,3 megapixel, góc rộng 23 mm và kích thước điểm ảnh 3,2 micromet khi ở chế độ chụp 12,5 "chấm".
Leica thể hiện dấu ấn đậm nét cả về phần mềm lẫn thiết kế quang học trên Xiaomi 12S Ultra. Thấu kính quang học 8P trên cảm biến chính giúp giải quyết các vấn đề như lóa sáng, quang sai màu và bóng mờ. Ngoài cụm camera được làm nổi bật phía sau như máy ảnh du lịch, máy còn in logo Leica cũng như nhãn hiệu ống kính nổi tiếng là Summicron.
