Bentuk ukiran yang dikenal sebagai ukiran laser 3D adalah jenis ukiran khusus yang melibatkan pengukiran pada permukaan tiga dimensi pada lebih dari satu sisi pada satu waktu, atau membuat gambar 3D dengan tingkat kedalaman yang berbeda. Pengukiran laser, yang menggunakan laser alih-alih mata potong, lebih baik dalam proses 3D ini, karena dapat dengan mudah menggali ke permukaan tanpa sedikit pun menghalangi atau membentur bekas ukiran sebelumnya. Gambar yang akan digunakan dengan pengukiran laser 3D biasanya diambil dari gambar skala abu-abu, dan operator harus mengetahui cara mengkalibrasi skala abu-abu untuk mencapai kedalaman dan efek yang tepat. Ada juga pengukir laser khusus yang mampu mengukir di bawah permukaan kaca atau kristal untuk membuat gambar 3D di dalam material.
Versi pengukiran laser 3D yang paling sederhana adalah ketika lebih dari satu sisi objek 3D diukir pada saat yang bersamaan. Misalnya, jika seseorang ingin mengukir kubus, akan memakan waktu lebih sedikit untuk mengukir beberapa sisi sekaligus daripada mengerjakan setiap sisi satu per satu. Jenis peralatan pengukiran ini menggunakan dua atau lebih laser secara bersamaan, dan pengguna harus memasukkan semua sisi ke dalam program dengan benar atau pengukiran akan salah.
Lebih umum, ukiran laser 3D digunakan untuk membuat gambar 3D dengan kedalaman. Misalnya, dengan pengukir biasa, gambar datar dengan garis yang menunjukkan kedalaman akan ditempatkan ke dalam bahan. Ukiran mirip dengan ukiran 3D karena keduanya benar-benar menggali material untuk menciptakan latar depan dan latar belakang yang berbeda secara visual. Dengan pengukiran, ini dilakukan melalui intensitas laser yang berbeda.
Sub-surface laser engraving (SSLE) adalah metode pengukiran laser 3D yang tidak mengukir pada permukaan material, tetapi di bawahnya. Ini biasanya dilakukan pada kristal atau kaca, karena bahan lain yang tidak transparan tidak akan dapat menampilkan gambar. SSLE digunakan untuk barang-barang promosi dan sering membuat orang menggaruk atau menggosok permukaan kristal atau kaca, bertanya-tanya bagaimana pengukir mendapatkan gambar di dalam bahan tanpa meninggalkan bekas di permukaan.
Sebagian besar mesin pengukiran laser 3D memiliki gambar 3D yang diatur dengan gambar skala abu-abu. Antara hitam dan putih, ada 256 warna abu-abu. Semakin dekat dengan putih, semakin sedikit yang terpotong; semakin dekat ke hitam, semakin banyak bahan yang akan dipotong. Dengan mengetahui cara mewarnai gambar dengan benar, operator pengukir akan bisa mendapatkan potongan yang tepat pada bahan.