在相机配置方面，小米12S Ultra采用了后置三摄，在使用思路上与小米11 Ultra类似，均是一颗大底主摄，再配上大底潜望长焦镜头和大底超广角。主摄采用的是1英寸大底的索尼IMX989，具有5030万像素，在1250万像素模式拍照时，像素尺寸高达3.2μm，是当下手机镜头中的最大尺寸，赋予了小米12S Ultra无与伦比的进光量。这颗镜头还采用了8P非球面镜，其中一片增加了能吸收紫外线的环烯烃材料，减轻拍照中的紫边现象。对非成像区域镜片进行逐片边缘涂墨，减少无用光的干扰。在红外滤光片中还有旋涂工艺，用来改善花瓣炫光情况。

此次小米12S Ultra主摄为索尼IMX989传感器，高达1英寸超大感光元件、8P全镀膜、支持OIS光学防抖。

另外两颗镜头的使用上，小米12S Ultra也是豪华规格，128度大视角的13mm超广角镜头，采用的是4800万像素主摄级别的IMX586传感器；长焦镜头则是4800万像素潜望长焦，同样使用主摄级别的IMX 586传感器，最高提供120倍的变焦能力。