Pentax K20D posiada matrycę typu CMOS wielkości 23,5 x 15,7 mm o rozdzielczości 14,6 Mpx. Stabilizacja matrycy w połączeniu z wysokim ekwiwalentem czułości matrycy ułatwi wykonanie ostrego zdjęcia w trudnych warunkach oświetleniowych. Model K20D umożliwia wykonywanie zdjęć seryjnych z prędkością do 3 klatek na sekundę przy zachowaniu pełnej rozdzielczości matrycy. W specjalnym trybie Hi-speed można wykonać do 115 ujęć JPEG w serii z prędkością 21 klatek na sekundę, ale z rozdzielczością 1,6 miliona pikseli. Jest też możliwość jednoczesnego zapisu obrazu w plikach RAW i JPEG.