Cụm camera kép 12 megapixel có ống kính khẩu độ f/1.8 và f/2.4, hỗ trợ lấy nét Dual Pixel được tích hợp sẵn AI, cảm biến Sony IMX 363, kích cỡ điểm ảnh tương đương với Galaxy S9 là 1,4 micron. Mi Mix 2S được DxOmark đánh giá khá cao về khả năng chụp ảnh, lên tới 101 điểm tương đương với iPhone X của Apple. Công nghệ trí tuệ nhân tạo AI giúp camera nhận biết vật thể, từ đó hỗ trợ điều chỉnh các thông số sao cho phù hợp với đối tượng đang hướng đến.
Camera selfie không được đầu tư nhiều, chỉ có 5 megapixel - khá thấp so với các model cao cấp và cận cao cấp khác.