三星GalaxyS21Ultra後置1.08億畫素主攝（ISOCELLHM3）+1200萬畫素超廣角（120度f/2.2）+1000萬畫素長焦（3倍變焦）+1000萬畫素長焦（10倍潛望式）+鐳射輔助對焦，前置4000萬人像鏡頭，這套相機配置沒有湊數鏡頭，均可以把攝像頭的實力發揮到極致的水平。

三星GalaxyS21Ultra搭載的1.08億畫素感測器的尺寸為1/1.33英寸，帶相位檢測自動對焦、OIS和f/1.8鏡頭。透過9合1的畫素合成技術，合成後的像素面積達到2.4μm，弱光下的降噪能力提升200%。透過NonaBinning將相鄰的畫素進行組合，以獲得更多的細節，並生成1200萬畫素的最終影象，並帶有12位HDR，動態範圍擴大3倍以上。

ISOCELLHM3感測器支援12bit的色深空間，色深空間的提升，動態範圍更大，色彩斷層也不宜顯現出來，顯示色彩更是突破了68億色。ISOCELLHM3感測器在對焦功能上有了明顯的提升，可以快速地捕捉所拍攝的物體，在夜景模式上，進一步提升SmartISOPro運算效率，降低夜景噪點，呈現出優質的畫質表現。

ISOCELLHM3感測器支援8K30fps、4K120fps、FHD240fps的影片錄製能力，在鐳射輔助對焦感測器LaserAF的支援，提升照片拍攝和影片拍攝方面對焦能力。三星S21Ultra前置4000萬畫素的自拍攝像頭，帶有相位檢測自動對焦功能，鏡頭角度為80度。

三星GalaxyS21Ultra首次帶來導演視覺功能，在該功能的加持下，可以同時開啟前後攝像頭，還能實時多鏡頭預覽，並進行無縫切換拍攝。在日常在錄製影片時，前後四顆鏡頭都可以同時記錄畫面，不僅可以看到自己的視角，還可以隨意在廣角、超廣角和長焦鏡頭之間進行切換，彷彿在用多臺相機進行拍攝，能夠輕鬆拍出影片大片。

三星GalaxyS21Ultra擁有超級穩定模式，超順滑60fps影片拍攝重現細節精彩瞬間，智慧動態調整幀率拍出超平滑影片，它會自動調整幀率，讓影片從白天到黃昏都保持清晰。不管是在跑步、玩滑板等快速移動的狀態下，還是在騎車遇到顛簸山路的環境下拍影片，都可以錄製出平滑又流暢的影片畫面。