Il cuore della Olympus E-3 è rappresentato dal sensore Hi-Speed Live MOS da 10,1 megapixel effettivi in formato Quattro Terzi dimensioni 17,3x13,0 mm e dal processore d'immagine TruePic III, che permettono scatto in sequenza a 5 fps con un buffer per 17 immagini RAW. Il sensore è montato su un telaio con possibilità di movimenti bidirezionali collegato a un motore supersonico, che accoppiato a un giroscopio permette di compensare i movimenti della mano del fotografo. Lo stesso sistema è sfruttato anche dal SuperSonic Wave Filter, che permette l'eliminazione della polvere dalla superficie del sensore tramite scuotimento ad alta frequenza.
Il sistema autofocus può contare su 11 punti di messa a fuoco doppi a croce. Ognuna delle due croci che forma gli 11 punti autofocus è posta in posizione leggermente sfalzata rispetto alla gemella; con questa costruzione Olympus ha voluto aumentare l'accuratezza e la precisione del suo sistema autofocus, la cui sensibilità dichiarate si spinge fino a -2EV, permettendo una buona messa a fuoco anche in soggetti a basso contrasto sia orizzontali sia verticali.
Il corpo in plastica e leghe di magnesio è dotato di guarnizioni per la protezione da polvere e umidità è permettono a Olympus di fregiare la sua fotocamera dell'appellativo "splash proof", che va oltre il classico "weather proof" che solitamente identifica la tropicalizzazione. Dal punto di vista della resistenza si segnala anche il fatto che il display snodato, oltre che essere orientabile per le inquadrature difficili in modalità Live-View, offre anche la possibilità di essere ripiegato con lo schermo all'interno, lasciando esposta a intemperie e oggetti inseriti in borsa solo una faccia ricoperta di plastica. Il sistema di snodo del display ha però il difetto di togliere prezioso spazio al pannello, che risulta avere una diagonale di 2,5", al top al momento del lancio della fotocamera, ma ora sotto quanto offerto dalla concorrenza. In ogni caso il display CrystalView offre ottime visibilità, nitidezza, definizione e brillantezza dei colori.
Il sistema Live-View è quello di prima generazione, che utilizza quindi il sensore autofocus a fuoco a valle dello specchio per le operazioni di messa a fuoco; la macchina quindi per mettere a fuoco abbassa lo specchio, facendo quindi perdere al fotografo la visione in tempo reale delle immagini riprese dal sensore, e poi effettua lo scatto. Questo sistema è un po' macchinoso e lento e sugli ultimi modelli Olympus è stato affiancato da un sistema di messa a fuoco basato sul contrasto affidato al sensore e al processore di immagine, come avviene sulle fotocamere compatte.
La fotocamera offre 4 livelli di riduzione del rumore agli alti ISO, sottrazione del fotogramma nero per le lunghe esposizioni e un sistema di compensazione della vignettatura, che permette di recuperare luminosità ai bordi dell'inquadratura.
