作为手机影像系统的基础，在后置摄像头硬件方面一加9 Pro采用了包含双主摄在内的后置四摄模组设计。这后置四颗摄像头分别为4800万像素主摄+5000万像素超广角镜头+3.3X长焦镜头+黑白镜头。

一加9 Pro的主摄为一加累计投入超过1亿元打造的超强主摄，其传感器采用了索尼独家定制的IMX789传感器，面积为1/1.35英寸，像素量为4800万，支持全像素全向对焦和12bit色深的RAW格式输出能力。除了强大的传感器硬件之外，一加9 Pro的主摄在光学方面采用了由7P镜片构成的高解析力镜头，光圈值为F1.8，支持OIS光学防抖。

作为双主摄中的一员，一加9 Pro的广角主摄无论是在传感器的硬件参数，还是镜头的光学素质方面均达到了目前顶级旗舰手机中的一流水平。特别是IMX789传感器独特的16：11画幅比例可以让一加9 Pro在拍摄视频时，相比其它机型更充分地利用传感器的感光面积；12bit RAW格式输出能力也让一加9 Pro拍摄的照片具备更大的后期处理空间。

双主摄中的另一位成员便是5000万像素超广角主摄，采用了索尼IMX766传感器，面积为1/1.56英寸，像素量为5000万，是一颗主摄级别的手机超广角镜头传感器。在拥有主摄级大底传感器的同时，一加9 Pro的超广角镜头在光学方面还采用了自由曲面镜头设计。

由光学特性所带来的畸变问题一直困扰着智能手机的超广角镜头，自由曲面镜头的出现则为这一问题提供了解决方案。自由曲面镜头在传统镜头模组的最后增加了一片特殊的镜片。和传统的球形镜片不同，这一片镜片的表面为独特的不规则自由结构，它可以将边缘部分没有均匀投射的光线校正，让外界进来的光线可以垂直打到传感器上，从而从解决超广角的畸变问题。