3D影院的原理主要基於人類視覺系統處理立體視覺的機制。人的左眼和右眼由於位置不同，在觀察同一物體時會有輕微的視差，大腦將這兩個略有差異的圖像合併處理，從而產生立體視覺。3D電影的製作是使用兩台攝像機從不同角度同時拍攝，模擬人眼的視角，放映時，這兩路圖像被同步投射到螢幕上。
觀眾觀看3D電影時需要佩戴特殊的眼鏡，這種眼鏡通過光學原理，使左眼只能看到左攝像機的圖像，右眼只能看到右攝像機的圖像。這樣，大腦接收到兩幅略有差異的圖像後，將其合併為立體視覺，從而產生身臨其境的感覺。
除了傳統的偏振式3D技術，還有許多其他技術如互補色、開關、柱鏡、狹縫光柵等，都是基於相同的原理，即通過特定方式使左眼和右眼分別接收不同的圖像，進而在大腦中形成立體視覺。