尼康在D4S的对焦系统上，依然采用了经典顶级Multi-CAM 3500FX自动对焦传感器以及周边算法。尼康认为这一系统能够精确捕捉不规则运动和对比度极低的拍摄对象，而且此系统可持续对焦于拍摄对象，甚至当拍摄对象高速接近或离开时也是如此。

为了满足拍摄诸如球赛这类拍摄题材时，尼康D4S拥有更平衡的AF控制功能，当动作可能暂时遮挡目标对象时，它能够更精确地对焦目标对象，更准确地跟踪对象。

尼康D4S在AF区域模式上不但继承了之前D4的全部模式，而对于之前的四种来说，相信很多读者已经非常了解，具体包含了单点AF、动态区域AF(9点、21点和51点)、3D跟踪和自动区域AF。

厂家方面这次在D4S上还增加了一种组区域模式——组区域模式，实现更强大、更多样化的自动对焦。选择组区域AF时，机身将使用5个对焦点进行对焦：由用户指定的1个对焦点，另外4个分别在用户所选对焦点的上、下、左、右方向。通过一组的5个点捕捉拍摄对象时，即使拍摄运如动员或动物等，对象很小并且快速、不规则地移动时，也能更准确地捕捉目标而不会将对焦移向背景。

此外，AF区域模式可以指定由超长焦尼克尔镜头上的自动对焦启动按钮来执行，当按下自动对焦启动按钮时将激活指定的AF区域模式，实现由操控相机选择的AF区域模式和由自动对焦开启按钮指定的另一种AF区域模式之间的切换。当拍摄剧烈变化的各种场景时，用户无需将视线离开拍摄对象即可实现重要模式之间的即时切换。

D4S配备了51个对焦点，能够在整个画面范围获得目标对象。画面中心的15个十字型对焦点利用相位侦测AF在水平方向和垂直方向侦测拍摄对象，全部的51个对焦点均支持最大光圈f/5.6，符合所有尼康尼克尔镜头对于线性感应器和十字型感应器的需求。

为了满足用户可以搭配增倍镜头拍摄的需要，其中有个别对焦点的精度要求更高些，达到了F8.0。具体来说，当用户使用1.4倍或1.7倍增距镜时它可轻松实现对焦，并且满足当同时使用超远摄尼克尔镜头和2倍增距镜组合时，在最大光圈达到f/8时也能准确自动对焦的工作状态。