Le Nikon D3 est équipé de la monture Nikon F (baïonnette standard) et dispose d'un capteur plein format FX de 12,1 mégapixels. Cette configuration rend compatible une très large gamme d'objectifs Nikon : tous les objectifs conçus pour le format FX (plein format) et même les objectifs au format DX (APS-C) qui seront utilisés avec un vignettage. Le D3 accepte les objectifs AF, AF-S, AF-P et les objectifs manuels dotés de la monture Nikon F.
Les objectifs AF-S (avec moteur Silent Wave Motor intégré) sont particulièrement recommandés pour le D3. Parmi les primes (focales fixes) les plus populaires, on retrouve le Nikon AF-S NIKKOR 50mm f/1.8G pour la polyvalence, le 85mm f/1.8G réputé pour les portraits avec un excellent bokeh, le 35mm f/1.4G idéal pour la photographie de rue et les faibles luminosités, et le 24mm f/1.4G ED particulièrement apprécié pour les paysages et l'architecture. Ces objectifs exploitent pleinement la grande plage ISO du D3 (200 à 6400, extensible jusqu'à 25600) et son excellente performance en faible lumière.
Pour les zooms AF-S, le 24-70mm f/2.8E ED VR est un incontournable de la photographie professionnelle, offrant une polyvalence maximum. Le 70-200mm f/2.8E FL ED VR excelle en photographie sportive et événementielle grâce à sa stabilisation optique et son ouverture constante f/2.8. Le 14-24mm f/2.8G ED permet de couvrir les focales grand angle extrêmes, parfait pour les paysages spectaculaires, tandis que le 16-35mm f/4G ED VR offre une alternative plus légère pour les intérieurs et paysages.
Pour la macrophotographie, le Nikon AF-S VR Micro-NIKKOR 105mm f/2.8G IF-ED est le choix de référence, capable de rapports de grossissement 1:1 avec autofocus rapide et stabilisation d'image. Les objectifs spécialisés comme le PC-E NIKKOR 24mm f/3.5D ED (objectif à décentrement et basculement) permettent de corriger les perspectives et sont particulièrement adaptés à l'architecture et la photographie de produits.
Attention : les objectifs AF-P, bien que équipant les boîtiers Nikon plus récents, fonctionnent avec le D3 mais réinitialisent l'autofocus à l'infini chaque fois que le posemètre se désactive, ce qui limite leur utilité pratique sur ce modèle. Les anciens objectifs AF (sans moteur Silent Wave Motor) restent toutefois parfaitement compatibles. Pour vérifier précisément la compatibilité d'un objectif spécifique, vérifiez que la monture correspond bien à la monture Nikon F et que le format est soit FX, soit que vous acceptiez le vignettage en format DX.