小米Note3依然主打變焦雙攝，在宣傳語上，為了與小米6區分開，雷軍在發布會上還調侃為“拍人更美了”。小米Note3后置雙攝像頭無論是型號還是功能都與小米6相同，如雙1200萬像素，廣角+變焦解決方案，廣角鏡頭f/1.8光圈，長焦f/2.6光圈。小米Note3依舊支持4軸光學防抖、2倍光學變焦、PDAF相位對焦、人像模式、4K視頻拍攝等。
前置方面，小米Note3進行了升級，采用了1600萬像素，而在暗光下，系統會智能的將4個像素合成一個2μm的大像素，有效提升畫面亮度，提升暗部解析力。此外，小米Note3還加入了千人千面的AI美顏，可以迅速完成美膚祛斑、提神亮眼、純色增強、塑形瘦臉等。
雖然采用了相同的sensor，擁有相同的規格，但是一款相機素質的優劣并不單單由硬件規格決定，廠商對傳感器的后期調校同樣至關重要，經過半年的調校，小米Note3的相機對于小米6還是有提升的。解析力方面完全不是問題，畫面的銳度和細節都非常出色。而在暗光下，此前小米6夜間成像噪點比較多，并且有涂抹感。而此次小米Note3改進了很多，在畫面亮度和純凈度方面擁有不錯的平衡，畫面更加通透，細節也更好。
自拍方面，小米Note3給人的效果還是非常不錯的，1600萬像素帶來出色的解析力，加上智能美顏，一定會使妹子們愛上自拍。
