3D計算機圖形（與2D計算機圖形相反）是使用存儲在計算機中的幾何數據（通常為笛卡爾坐標）的三維表示形式的圖形，用于執行計算和渲染2D圖片。生成的圖像可以存儲起來以便以后查看，也可以實時顯示。

3D計算機圖形依靠許多相同的算法為2D計算機矢量圖形在線框模型和2D計算機光柵圖形在最終呈現的顯示。在計算機圖形軟件中，2D應用程序可以使用3D技術來實現諸如照明的效果，并且類似地，3D可以使用某些2D渲染技術。

3D計算機圖形學中的對象通常稱為3D模型。與渲染的圖像不同，模型的數據包含在圖形數據文件中。3D模型是任何三維物體的數學表示。在顯示之前，模型從技術上講不是圖形。通過稱為3D渲染的過程，可以將模型可視化顯示為二維圖像，也可以將其用于非圖形計算機仿真和計算中。通過3D打印，可以將模型渲染為自身的實際3D物理表示形式，但對物理模型與虛擬模型的匹配程度有一些限制。

3D計算機圖形創建分為三個基本階段：

1. 3D建模?–形成對象形狀的計算機模型的過程
2. 布局和動畫?–場景中對象的放置和移動
3. 3D渲染?–基于光的位置，表面類型和其他質量的計算機計算生成圖像

該模型描述了形成物體形狀的過程。3D模型的兩個最常見的來源是藝術家或工程師使用某種3D建模工具在計算機上產生的來源，以及從真實對象掃描到計算機中的模型。模型也可以通過過程或通過物理模擬來生成。基本上，3D模型是由稱為頂點（或多個頂點）的點構成的，這些點定義了形狀并形成了多邊形。多邊形是由至少三個頂點（三角形）形成的區域。n點的多邊形是n形。模型的整體完整性及其在動畫中的適用性取決于多邊形的結構。

材質和紋理是渲染引擎用來渲染模型的屬性。可以提供模型材料來告訴渲染引擎當光線撞擊表面時如何處理。紋理用于使用顏色或反照率貼圖來賦予材質顏色，或使用凹凸貼圖或法線貼圖來賦予表面特征。它也可以用于通過位移圖使模型本身變形。

在渲染成圖像之前，必須將對象布置在場景中。這定義了對象之間的空間關系，包括位置和大小。動畫是指對象的時間描述（即，對象隨時間的運動和變形。流行的方法包括關鍵幀，逆運動學和運動捕捉）。這些技術通常結合使用。與動畫一樣，物理模擬也指定運動。

渲染通過模擬光傳輸以獲取逼真的圖像，或通過像非逼真的渲染一樣應用藝術風格，將模型轉換為圖像。逼真的渲染中的兩個基本操作是傳輸（從一個地方到另一個地方有多少光）和散射（表面如何與光相互作用）。通常使用3D計算機圖形軟件或3D圖形API執行此步驟。將場景更改為合適的渲染形式還涉及3D投影，該投影以二維方式顯示三維圖像。盡管3D建模和CAD?軟件也可以執行3D渲染（例如也可以使用Autodesk 3ds Max或Blender），獨家3D渲染軟件。

并非所有顯示3D的計算機圖形都基于線框模型。具有3D?逼真的效果的2D計算機圖形通常無需線框建模即可獲得，有時在最終形式中無法區分。一些圖形藝術軟件包括可應用于透明層上的2D矢量圖形或2D光柵圖形的濾鏡。視覺藝術家還可以復制或可視化3D效果，并手動渲染逼真的效果，而無需使用濾鏡。

一些視頻游戲使用三維環境的受限投影，例如等距圖形或具有固定角度的虛擬攝像機，以提高游戲引擎性能或出于風格和游戲xxx的考慮。據說這類游戲使用偽3D圖形。相比之下，使用沒有這種限制的使用3D計算機圖形的游戲被稱為使用真正的3D。