2012年9月に発表された「K-5 II s」に引き続きローパスフィルターを省いた仕様となっている一方で、新技術「ローパスセレクター」によりローパスフィルターレスでもモアレ軽減を実現した。さらに、イメージセンサーは新開発のもの、画像処理エンジンも新開発の「PRIME III」となり、ローパスフィルターレス仕様と相まって、解像感に優れた画像表現が可能となっている。

光学式のローパスフィルターに対して、効果のオン・オフや強弱を選択できる点が特徴となっている。なお、同機能がより効果を発揮するのは、1/1,000秒以下のシャッタースピード時で、HDR撮影時は利用できない。

AFモジュールは「K-5 II」「K-5 II s」の「SAFOX X(サフォックス・テン)」より進化した「SAFOX 11」を搭載。従来11点だった測距点数は27(中央部25点はクロス測距)となったほか、中央およびその上下の計3点はF2.8光束に対応。大口径レンズでのシビアなピント合わせを行いやすくなっている。AF輝度範囲は-3EV～+18EVに対応。

ボディ上下および前後の外装は、軽量さと堅牢性を両立するため、マグネシウム合金を採用。

手ぶれ対策としては、センサーシフト方式の手ぶれ補正機構「SR(Shake Reduction)」を本体に内蔵。手ぶれ補正駆動専用のサーボコントローラーが新たに採用され、またSRユニットを駆動する磁力が強められ、より安定した補正効果が実現された。

マウントがペンタックスバヨネットKAF2 マウント、撮像素子が有効約2,435万画素・23.5×15.6mmサイズのCMOSセンサー、対応感度がISO100～ISO51200、シャッタースピードが1/8,000秒～30秒となっている。連写速度は最高で約8.3コマ/秒。ファインダーは視野率が約100%、倍率が約0.95倍のペンタプリズムファインダー方式だ。

内蔵フラッシュはガイドナンバー約13、背面の液晶モニターは3.2型・約103.7万ドット表示。利用可能な記録メディアはSD/SDHC/SDXCメモリーカードで、記録形式は静止画がRAW、JPEG、動画がMPEG-4 AVC/H.264(MOV)で、動画の最大記録画素数は1,920×1,080ドット(フルHD)/60i。なお、インターバル動画の記録形式はMotionJPEGとなる。バッテリーは専用のリチウムイオン充電池で、CIPA準拠の撮影可能は約720枚(ストロボ発光なし)。

サイズは約W131.5×D77.5×H100mm(突起部を除く)、重量は本体のみで約715g、電池とSDカードを含む状態で約800g。