最大的差異在於「如何讀出光所產生的電荷」。CCD以接力傳遞的方式搬運各像素的電荷且不使其流失，在輸出端的1處統一轉換為電壓。由於轉換電路共用，可得到均勻、低雜訊的影像，但需要高驅動電壓與較大的功耗，讀出也較慢。CMOS影像感測器在每個像素將電荷轉換為電壓並放大，再選擇行與列讀出，因此能以低電壓、低功耗高速運作，連AD轉換與影像處理電路都能整合在1顆晶片上。過去CCD在畫質上領先，但CMOS藉由背照式與堆疊式技術迎頭趕上，如今在智慧型手機、車用、監視攝影機等幾乎所有消費性用途中，CMOS都是主流。
主要差異
| 比較面向 | CMOS影像感測器（CIS） | CCD影像感測器 |
|---|---|---|
| 光電轉換 | 光二極體 | 光二極體 |
| 電荷讀出 | 在每個像素轉換為電壓並放大，選擇行與列讀出 | 電荷經由垂直與水平傳輸路徑接力傳遞，在輸出端統一轉換 |
| 驅動電壓・功耗 | 以低電壓運作，功耗低 | 需要多組高驅動電壓，功耗大 |
| 讀出速度 | 高速，容易實現高幀率與局部讀出 | 所有像素依序傳輸，因此較慢 |
| 周邊電路整合 | AD轉換、時序控制到影像處理都能整合在1顆晶片上 | 驅動電路與訊號處理基本上使用另外的晶片 |
| 雜訊・均勻性 | 過去需要修正各像素放大器的差異，現已大幅改善 | 轉換電路共用，均勻性與低雜訊表現優異 |
| 快門方式 | 以捲簾快門為主流（也有全域快門產品） | 行間轉移型基本上為全域快門 |
| 特有的影像瑕疵 | 高速移動被攝體的變形（捲簾快門變形） | 強光源向上下延伸出縱向亮線的拖影（smear） |
| 製程 | 應用CMOS邏輯的製造技術，以背照式與堆疊式為主流 | 需要專為電荷傳輸設計的專用製程 |
| 主要用途 | 智慧型手機、車用、監控、數位相機、工業用 | 科學量測、天文觀測、部分工業與醫療用途 |
讀出方式的差異
CCD是依序對相鄰電極施加電壓，將各像素累積的電荷一點一點移往旁邊，最後送到輸出端。電荷在搬運過程中幾乎不會流失，而且將電荷轉為電壓的放大器只在輸出端，因此像素之間不易產生差異。CMOS影像感測器則在每個像素配置光二極體與數個電晶體，在像素內將電荷轉為電壓並放大。讀出時像記憶體一樣選擇行與列，不需要長距離搬運電荷。這個差異造成了功耗、速度與整合度上的所有差距。
CCD長期在畫質上領先的原因
早期的CMOS影像感測器每個像素都有放大電晶體，其特性差異會以固定圖樣雜訊的形式出現在影像中。像素內放置電晶體也使受光面積變小，在感度上同樣不利。CCD以專為電荷傳輸設計的專用製程製作，暗電流也少，長期在要求高畫質的數位相機與廣播用攝影機中擔任主角。CMOS要迎頭趕上，需要累積許多改良，例如消除讀出雜訊的相關雙取樣、抑制暗電流的埋入式光二極體，以及為每個像素聚光的微透鏡。
CMOS成為主流的關鍵
關鍵在於背照式（BSI）與堆疊式的出現。在前照式結構中導線層會遮擋光線，而將晶圓薄化、從背面入光的BSI，讓小像素也能獲得高感度。再者，將像素陣列晶片與訊號處理電路晶片分別製作後接合的堆疊式，可以在不犧牲像素面積的情況下整合高速AD轉換與影像處理。在低功耗與高速讀出這些CMOS原有的強項之外再加上畫質，CMOS隨著智慧型手機普及而佔據了市場。索尼（Sony）在2010年代中期已宣布停產CCD。
製造技術的差異
CCD為了無損地傳輸電荷，需要重疊的多層多晶矽電極等專用結構與製程，無法在與邏輯電路相同的產線上製作。CMOS影像感測器則以CMOS邏輯的製造技術為基礎，加上低暗電流光二極體的形成、彩色濾光片與微透鏡等製程製作。BSI的關鍵是將晶圓薄化到數µm的製程與接合到支撐基板，堆疊式的關鍵則是以銅電極直接連接晶片的混合鍵合，與先進封裝共享的技術越來越多。
總結（該選哪一種）
在需要低功耗、高速讀出、小型化，以及將相機功能整合在1顆晶片上的用途中，幾乎沒有CMOS影像感測器以外的選擇。CCD至今仍被選用的，是長時間曝光下的低雜訊與像素間均勻性為第一優先的科學量測，以及需要與既有系統相容的部分工業用途。判斷的關鍵在於要選擇速度與整合度，還是特定條件下的均勻性。