Nach vielen Generationen mit zwar grundsätzlich recht guten Kameras, aber nur geringen Verbesserungen von Generation zu Generation der Xperia Z-Serie, hat die neue Z5-Baureihe ein komplett neues Kameramodul mit 23 Megapixeln eingebaut, das im DxO-Test voll überzeugen konnte. Die Tester loben den hervorragenden Autofokus, es sei der beste, den sie jemals in einem Smartphone getestet hätten. Auch der Weißabgleich und die Farbwiedergabe sind in den meisten Situationen äußerst akkurat. Und trotz hoher Auflösung macht sich die Sony Xperia Z5 selbst unter Low-Light-Bedingungen sehr gut und produziert wenig Rauschen. Kritisiert wird, dass der Himmel bei Motiven mit hohem Kontrast leicht ausbrennt und der eingebaute LED-Blitz beleuchtet zwar gut, hat aber einen sichtbaren Helligkeitsabfall zum Rand. 88 Punkte im Foto-Teil des Tests sind das Endergebnis, gleichauf mit dem Samsung Galaxy S6 Edge.
Den Spitzenplatz erringt das Sony Xperia Z5 dann durch seine Video-Leistung, mit der es sich souverän an die Spitze aller Smartphones setzt (86 Punkte bei der DxO-Videobewertung). Verantwortlich sind dafür neben der generell auch von den Fotoeigenschaften guten Bildwiedergabe in Verbindung mit dem zuverlässigen Autofokus die herausragenden Bildstabilisierungseigenschaften der eingebauten Video-Software. Das Kameramodul besitzt zwar keinen optischen Bildstabilisator, aber Sony beherrscht – das kennt man ja schon von deren Actioncams – die elektronische Bildstabilisation (bei Sony "SteadyShot" genannt) wie kein anderer Hersteller. Diese Technik funktioniert derzeit mutmaßlich nur bis 1080p/FullHD-Auflösung (in dem Modus testet DxO die Videoleistung), dort aber stabilisiert sie die Videos sehr wirksam.
Das Sony Xperia Z5 wird mit Android 5.1.1 Betriebssystem ausgeliefert. Es besitzt 32 GByte internen Speicher, der per MicroSD-Karte erweitert werden kann. Es ist gegen Spritzwasser (Regen) und Staub geschützt. Anders als bei den Vorgängermodellen befindet sich der häufig benötigte USB-Anschluss nicht unter einer fummeligen Klappe, sondern ist (wie die Kopfhörerbuchse) in sich abgedichtet und jederzeit direkt zugänglich. Neben dem Xperia Z5 gibt es in der Serie von Sony noch das kleinere Xperia Z5 Compact sowie das etwas größere Xperia Z5 Premium mit 4K-Displayauflösung im Foto- und Videobetrieb (durchaus sinnvoll z. B. beim Betrieb in Virtual-Reality-Brillen). Die beiden Schwestermodelle sind mit der gleichen Kameratechnik ausgestattet wie das hier getestete Xperia Z5.