EOS 5D Mark II có độ phân giải lên tới 21.1 megapixel, độ phân giải này được tăng một cách đáng kể so với những người tiền nhiệm. Đây thực sự là một cải tiến đáng hoan nghênh, nó giúp cho chiếc máy ảnh này bắt kịp với chiếc Canon 1Ds Mark III mặc dù chúng không có phần cảm biến giống nhau. EOS 5D Mark II có phần cảm biến mới CMOS cùng một bộ âm li tiên tiến bên ngoài, một máy lọc màu sắc tốt hơn với hệ thống chuyển ánh sáng xuất sắc, và các nâng cấp khác từng thấy ở EOS 50D.

Giống như EOS 50D, máy ảnh mới EOS 5D Mark II tăng độ nhạy lên khá lớn. Chiếc 50D đưa ra phạm vi tiêu chuẩn là từ 100 đến 160ISO với các lựa chọn mở rộng ISO50 và 3200ISO. Còn máy ảnh mới 5D Mark II nâng cấp tiêu chuẩn này lên từ 100ISO tới 6400ISO với các lựa chọn mở rộng ISO 50, 12800 và 25600.

EOS 5D Mark II được trang bị với khả năng Live View và khả năng chống bụi, cả 2 đều không có trên máy ảnh EOS 5D.

Máy ảnh cũ EOS 5D có bộ xử lý DIGIC II, tuy nhiên hãng Canon đã tiếp tục nâng cấp lên mẫu mã mới nhất bộ xử lý DIGIC 4 cho Mark II, bộ xử lý này cũng được sử dụng bởi EOS 50D. Mặc dù sự tăng lên đáng kể là xét về kích thước file nhưng DIGIC 4 cũng đã cho phép Canon nâng cấp một chút khả năng chụp liên tiếp tốc độ 3fps lên tốc độ mới là 3.9 fps. Tuy nhiên nó không lên được mức 5fps hay các mức nhanh hơn khác được mong đợi.


Giống EOS 50D, máy ảnh mới này cũng hỗ trợ các card nhớ UDMA Compact Flash. Điều này cho phép EOS 5D Mark II chụp lên tới 14 hình ảnh định dạng RAW hay một số lượng không giới hạn các hình ảnh định dạng JPEG khi chụp liên tiếp.
 
Phần cảm biến DIGIC 4 đưa ra chế độ ‘Peripheral Illumination Correction’ trên các định dạng JPEG để giảm thiểu hiệu ứng hình ảnh không rõ nét khi hình ảnh bị làm tối ở các góc. Hệ thống này đi theo EOS 50D để trở thành máy ảnh Canon DSLR thứ 2 đưa ra khả năng này, và nó cũng là phần bổ sung giống như một dữ liệu bên trong với 40 ống kính có thể được cập nhật thông qua DPP. Một lần nữa, giống như EOS 50D, EOS 5D Mark II cũng đưa ra điều chỉnh micro AF giúp bạn chỉnh tông AF chuẩn trên ống kính.

EOS 5D Mark II không chỉ là một máy ảnh chụp ảnh tĩnh chất lượng cao mà nó còn trở thành máy ảnh DSLR đầu tiên của Canon có khả năng quay video. Giống như D90 của Nikon, EOS 5D Mark II có thể khai thác một phạm vi rộng lớn chiều dài và chiều rộng của ống kính, mang đến chiều sâu của khung hình nhỏ hơn hầu hết các máy quay, và cũng ít tạp nhiễu hơn nhờ vào phần cảm biến kích thước lớn hơn – và phân cảm biến độ phân giải đầy đủ của 5D Mark II thậm chí còn tốt hơn của máy ảnh D90.


Giống D90, 5D Mark II có thể quay phim ở độ phân giải cao, tuy nhiên kích thước khung hình lớn nhất của D90 là 1280x720 pixels trong khi máy ảnh mới của Canon có thể tự hào với độ phân giải Full HD ở 1920x1080 pixels (1080p) với tốc độ 30fps. Điều này đã làm cho 5D Mark II không chỉ là máy ảnh DSLR thứ 2 từ trước đến nay đưa ra khả năng quay phim , mà còn là máy ảnh đầu tiên thực hiện quay phim với Full HD. Không giống D90 – máy ảnh duy nhất cho điều chỉnh tay trong khi quay phim - 5D Mark II thêm vào đó còn đưa ra điều chỉnh AF theo độ tương phản.

Bên cạnh việc EOS 5D Mark II vừa khít với một microphone có sẵn để thu âm đơn, nó còn tự hào khi có cả một hốc cắm để kết nối các microphone âm thanh nổi mở rộng. Video được quay ở định dạng Quicktime MOV sử dụng dạng nén MPEG-4 còn âm thanh thì được thu trên dòng PCM không nén. Phim được quay cho đến khi dung lượng file đạt tới 4GB. Canon ước tính 4GB có thể tính bằng 12 phút quay ở Full HD hoặc 24 phút với độ phân giải tiêu chuẩn 640x480 pixels , tốc độ 30fps. Với định dạng Full HD và khả năng liên tục của một microphone mở rộng, EOS 5D Mark II là đưa ra chất lượng movie tốt nhất từ một máy ảnh cho tới nay.

Giống EOS 50D, EOS 5D Mark II có màn hình 3 inch với độ phân giải VGA 920k điểm, là một cải tiến lớn so với màn hình 2.5 inch 230k điểm của EOS50D. Mẫu mã mới này cũng có một cổng HDMI để kết nối trực tiếp tới các tivi HD và có thể trình chiếu slideshow ra ngoài hay xem ở chế độ Live View tại độ phân giải 1920x1080 pixels. Tuy nhiên cũng giống như các mẫu mã trước, máy ảnh này không có flash popup.

Xét về các tính năng chụp hình truyền thống, EOS 5D Mark II đưa ra một tầm nhìn tiên tiến với mức độ 98% so với 96% của máy ảnh ra đời trước đó, một tốc độ màn trập 150k vòng so với 100k trên máy ảnh 5D, và một hệ thống AF 9 điểm với 6 điểm hỗ trợ AF.