Kacamata tiga dimensi (3D) bekerja dengan memanipulasi mekanisme penglihatan stereoskopik untuk menciptakan ilusi kedalaman. Penglihatan stereoskopik, kemampuan manusia untuk melihat dengan kedua mata, menafsirkan masukan dari mata kiri dan kanan sebagai satu gambar, bahkan jika mata melihat objek pada sudut yang berbeda. Hal ini memungkinkan individu untuk mengukur jarak dan kedalaman pada objek tiga dimensi, tetapi tidak pada gambar datar, di mana mata melihat sedikit perbedaan dalam perspektif. Kacamata 3D, dikombinasikan dengan gambar atau video yang diproduksi secara khusus, memungkinkan setiap mata untuk melihat gambar yang berbeda, yang pada gilirannya memungkinkan penglihatan stereoskopik individu untuk menafsirkan kedalaman.
Penglihatan stereoskopik memungkinkan seseorang untuk melihat kedalaman dan jarak suatu objek karena sebagian besar fakta bahwa mata kiri dan kanan seseorang rata-rata berjarak sekitar 3 inci (7.62 cm). Ini menciptakan sedikit perbedaan antara bidang penglihatan masing-masing mata; individu akan memperhatikan hal ini dengan menatap objek hanya dengan mata kiri tertutup, kemudian hanya dengan mata kanan tertutup. Karena kedua mata melihat sesuatu pada sudut yang berbeda, otak mengintegrasikan kedua aliran informasi ke dalam satu objek 3D. Kemampuan ini terbatas, bagaimanapun, ketika objek disajikan dalam gambar dua dimensi datar, seperti di layar televisi dan film. Kacamata 3D mengatasi keterbatasan ini dengan memungkinkan gambar yang berbeda masuk ke setiap mata dengan menggunakan filter warna atau lensa terpolarisasi khusus.
Film 3D, bila dilihat tanpa kacamata 3D, sering kali tampak buram atau sedikit terdistorsi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sebenarnya ada dua gambar yang sedikit berbeda di layar, masing-masing pada sudut yang sedikit berbeda dari yang lain. Kacamata 3D memisahkan dua gambar satu sama lain, menghadirkan satu ke mata kiri dan yang lainnya ke kanan. Ini mereplikasi efek penglihatan stereoskopik pada objek 3D, memungkinkan gambar di televisi 3D dan layar film tampak memiliki kedalaman meskipun sifatnya dua dimensi.
Ada dua teknik yang digunakan untuk membuat ilusi 3D: penyaringan warna dan polarisasi lensa. Pemfilteran warna menggunakan kacamata 3D dengan lensa berwarna berbeda — sering kali merah dan biru — untuk menghalangi salah satu gambar di layar dari setiap mata. Memproduksi gambar dan kacamata umumnya berbiaya rendah, tetapi gambar mengalami kehilangan warna karena filter. Teknologi modern menggunakan gambar yang difilmkan dengan polarisasi berbeda untuk menciptakan ilusi 3D dengan kehilangan warna minimal. Kacamata 3D yang menggunakan teknik ini memiliki lensa dengan polarisasi yang berbeda — satu lensa untuk mencocokkan setiap polarisasi gambar di layar — untuk menciptakan kesan kedalaman.