Điểm nhấn lớn nhất của Xperia Z1 chính là camera 20.7MP nằm ở phía sau. Đây là điện thoại có camera độ phân giải lớn nhất trong các máy Android hiện nay. Chiếc camera 20.7MP của điện thoại này sử dụng cả 3 thành phần chính của Sony là cảm biến Exmor RS kích thước 1/2.3 inch (tương đương với Galaxy S4 Zoom, nhỏ hơn cảm biến 1/1.5 inch của Lumia 1020 và lớn hơn 70% so với các cảm biến thông thường 1/3 inch), ống kính Sony G góc rộng 27mm với khẩu f2.0, zoom 3x và chip xử lý hình ảnh BIONZ cũng của Sony.
Độ phân giải 20.7MP chỉ đạt được ở khổ ảnh 4:3, còn khổ ảnh 16:9 đạt độ phân giải tối đa là 8MP. Về phần mềm, máy có hai chế độ cơ bản là chế độ chụp tự động (Sony gọi là chế độ Tự động cao cấp) và chế độ chỉnh tay (Sony gọi là Thủ công).

Chế độ chụp Tự động cao cấp chụp ảnh ở khổ 16:9 và chỉ đạt độ phân giải 8MP. Chế độ này không cho phép điều chỉnh các tham số ảnh mà chỉ cho phép người dùng điều chỉnh tính năng hẹn giờ chụp, nhận diện nụ cười, chụp liên tục và đèn flash. Ở chế độ này, máy sẽ tự động đoán khung ảnh để điều chỉnh các tham số, ví dụ chụp gần sẽ hiện ra biểu tượng chụp cận cảnh hoặc chụp khung cảnh rộng hơn thì máy báo đang chụp phong cảnh. Ngoài ra, khi hướng máy ảnh vào vùng ngược sáng thì máy cũng hiển thông báo cho biết bạn đang chụp ngược sáng.
Còn ở chế độ Thủ công, bạn có thể điều chỉnh độ phân giải (khổ 4:3 lên tới 20.7MP, 16:9 thì chỉ tối đa là 8MP), ISO (50-800), tự động chụp (hẹn giờ chụp 2 giây hoặc 10 giây), nhận diện nụ cười, cân bằng trắng và bù sáng. Chế độ Thủ công thiếu một số điều chỉnh như độ tương phản, độ bão hòa và độ sắc nét.
Ngoài hai chế độ cơ bản trên, Xperia Z1 còn có các chế độ chụp toàn cảnh với ảnh kích cỡ 5MP, chụp liên tục 30 ảnh để chọn ra ảnh đẹp nhất (gọi là Timeshift burst), các hiệu ứng AR (chèn thêm các hình ảnh như khủng long, bướm… vào nền ảnh) và các hiệu ứng ảnh khác (như mắt cá, đơn sắc, lọc, thủ nhỏ…).
Sony Xperia Z1 có nút camera cứng để chụp và quay. Ngoài ra, bấm giữ vào nút này sẽ kích hoạt ứng dụng camera cả khi điện thoại đang khóa màn hình, giống như các máy Lumia của Nokia. Bạn có thể bấm vào nút tăng giảm âm lượng để zoom khi chụp và quay.