CMOS传感器通常采用光敏二极管作为光电探测器。与CCD传感器不同，光敏一极管中的电荷不是顺序地转移到读出寄存器， CMOS传感器的每一行都可以通过行和列选择电路直接选择并读出。这方面，CMOS传感器可以当作随机存取存储器。CMOS传感器的每个像素都有一个自己的独立放大器。这种类型的传感器也称为主动像素传感器(APS)。 CMOS传感器常用数字视频做输出。因此，图像每行中的像素通过模/数转换器降列并行地转化为数字信号。
因为放大器及行列选择电路常会用到每个像素的大部分面积，因此与隔列转移型CCD传感器一样， CMOS传感器的填充因子很低。所以通常使用微镜头来增加填充因子和减少图像失真，如图所示，
CMOS传感器的随机读取特性使其很容易实现图像的矩形感兴趣区域(AOI)读出方式。与CCD传感器相比，对于有些应用这点有很大优势，在较小的AOI下可以得到更高的帧率。尽管CCD传感器也可以实现AOI读出方式，但其读出方式决定了CCD传感器必须将AOI上方和下方所有行的数据转移出再丢掉。由于丢掉行的速度比读出要快，因此这种方法也可以提高帧率。然而，通过减小水平方向尺寸而生成的感兴趣区域通常不能提高帧率，因为电荷必须通过电荷转换单元才能转移。
CMOS传感器的另一个优点是可以在传感器上实现并行模/数转换，因此即使不使用AOI读出方式，也能具有较高的帧率。而且还可以在每个像素上集成模/数转换电路以进步提高读出速度。这种传感器又称为数字像素传感器(DPS)
由于CMOS传感器每一行都可以独立读出，因此得到一幅图像的最简单方式就是一行一行曝光并读出。对于连续的行，曝光时间和读出时间可以重叠，这称为行曝光。显然，这种读出方式使图像的第一行和最后一行有很大的采集时差，如图所示，采集运动物体图像时将产生明显的变形。对于运动的被测物，必须使用全局曝光的传感器。全局曝光传感器对应每个像素都需要一个存储区，从而降低了填充因子。下图为对运动物体使用全局曝光得到的正确图像。
CMOS传感器的结构使其很容易支持异步复位外触发采集。与CCD传感器一样，这里讨论的CMOS传感器是线性响应，线性响应是精确边缘探测所必需的。然而，对于在线焊接检测这类应用，被测物亮度有6个数量级或更高的变化。为使这种巨大的亮度差能够共存于一幅灰度图像中，必须使用非线性灰度响应。为此，开发了对数响应CMOS传感器和线性对数混合响应CMOS传感器。大多数情况下是将光电传感器产生的光电流反馈到具有对数电流一电压特性的电阻上，这种传感器一定是行曝光的。
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