CMOS圖像感測器（CMOS Image Sensor, CIS）的工作原理涉及光電轉換、信號處理和數字輸出等多個階段。其基本構成包括像敏單元陣列、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、模數轉換器（ADC）、數據匯流排輸出接口和控制接口，這些通常集成在同一塊矽片上。
CMOS圖像感測器的工作過程大致可以分為以下幾個步驟：
復位：首先，感測器進行復位操作，為新的曝光周期做準備。
光電轉換：在曝光階段，感光二極體（Photodiode）接收光線，完成光電轉換過程，產生信號電荷。
積分：信號電荷在感光二極體中積累，與光強度成正比。
讀出：曝光結束後，通過傳輸電極門將信號電荷傳送到浮動擴散層，然後由放大MOSFET電極門拾取，將電荷信號轉換為電壓信號。這一過程中，電荷信號也被轉換為數位訊號，便於計算機處理。
CMOS圖像感測器的優點包括低功耗、高集成度和簡單讀取信息方式。它們在光電轉換後通過電晶體的開關實現信號的選擇和讀出，這與電荷耦合器件（CCD）的順序讀出方式不同。CMOS圖像感測器還集成了其他數位訊號處理電路，如自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理等，以提高圖像質量。
此外，CMOS圖像感測器使用微透鏡來提高光線的利用效率，並採用電子開關、互阻抗放大器和相關雙採樣保持電路等內部附加功能來降低噪聲。這些技術使得CMOS圖像感測器在保持高靈敏度的同時，也提高了信噪比和圖像質量。