小米9采用支持激光对焦的后置三摄：4800万广角镜头(f/1.75光圈，6P镜头，索尼IMX586传感器，1/2英寸超大感光面积)、1200万人像镜头(f/2.2光圈，6P镜头，背景虚化，2倍光学变焦)、1600万超广角镜头(f/2.2光圈，6P镜头，117度，该镜头同时支持4cm微距)。
小米9的后置三摄实现了微距、超广角风景、标准街拍和人像四个镜头功能。此外，三个镜头被不锈钢和铝材双层支架保护，闭环马达，以及蓝宝石玻璃保护片。 同时配备2000万像素前置镜头，支持小米AI美颜的所有功能。
小米9后置三摄同样融入了AI功能，例如AI建议开启超广角模式以及AI矫正功能，避免边缘畸变。小米9在DXOMark中获得了107分成绩，世界排名第三。视频拍摄方面，小米9世界排名第一。此外视频拍摄方面，小米与抖音合作，小米9相机内置抖音热门功能，支持117°超广角拍摄、多人互动和电影级滤镜功能，并且小米表示使用小米9刷抖音可以省电15%。
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