A câmera sempre foi um dos principais focos da Sony quando se trata de smartphones, o que não é surpreendente, já que a empresa não apenas fabrica suas próprias câmeras profissionais, mas também fornece lentes de câmera a outros fabricantes de smartphones. Para o Xperia XZ Premium e os XZs, a Sony tentou combinar a tecnologia de suas câmeras Alpha e Cyber-shot no novo sistema Motion Eye.
O novo sistema possui um sensor Exmor RS empilhado na memória para digitalização de imagem e transferência de dados até cinco vezes mais rápidas. Ele oferece uma resolução de 19 megapixels, que apesar de ser um pouco menor que o Xperias, a Sony disse que os pixels são 19% maiores a 1,22µm para capturar mais luz. A câmera Motion Eye possui vários recursos a bordo, incluindo captura preditiva, obturador anti-distorção e gravação de vídeo em super câmera lenta a 960 fps.