小米13Ultra支持“双长焦，六焦段”，后置5000万像素主摄（索尼IMX989，OIS，f/1.9-f/4.0光圈两挡可变）+5000万像素超广角（索尼IMX858，f/1.8）+5000万像素人像长焦（索尼IMX858，OIS，f/1.8，3.2X）+5000万像素潜望长焦（索尼IMX858，OIS，f/3.0，5X）。
小米13Ultra 为了拍摄多焦段时的一致性，在为主摄配备“一英寸”大底索尼IMX989的同时，为所有副摄配备了相同的IMX858传感器。在经过软件调试和优化后，四枚镜头的自动测光和自动白平衡可以保持一致，切换镜头时画面平顺，并且多镜头拍摄照片的画风也非常接近。
小米13Ultra在 焦段方面，分别是12mm、23mm、75mm和120mm，基本上覆盖普通人日常使用的全部焦段。需要说明的是小米3.2倍75mm焦段，实际上是2.7倍62mm焦段剪裁而成。 考虑到长焦镜头的技术复杂性和成本因素， 主摄在75mm和120mm的长焦中，并没有提供对用户极具使用体验的长焦微距。
小米13Ultra的主摄第一次配备了物理光圈结构，通过叶片的调整可以在f/1.9和f/4.0之间相互切换，而f/1.9的小光圈也是1英寸CMOS中可以实现的最佳性能的光圈值。大光圈的快门速度更高，景深较浅，适合拍摄微距景物的样张，而小光圈则有着更低的进光量，更适合夜景、风光、建筑以及一些特殊效果如星芒、光斑等的拍摄。
小米13Ultra首发索尼IMX858CMOS，并在相机模组中加入了一枚中焦段的人像镜头，与超广角、潜望长焦镜头共同采用了这颗镜头。支持全像素全向对焦技术，与IMX989同款的DOL-HDR技术，被誉为是索尼IMX989的黄金搭档。
街头摄影是人文摄影的永恒舞台，也是光学能力的终极考场。小米13Ultra行业首创“专业街拍模式”，以街头摄影师常用的“超焦距”拍摄手法为灵感，通过手机预设对焦点，用户无需对焦，即可在0.8秒内实现相机的启动和抓拍。
