Kolmiulotteinen avaruus on geometrinen malli maailmasta, jossa elämme. Sitä kutsutaan kolmiulotteiseksi, koska sen kuvaus vastaa kolmea yksikkövektoria, joilla on suunta pituus, leveys ja korkeus. Kolmiulotteisen tilan havainto kehittyy hyvin varhaisessa iässä ja liittyy suoraan ihmisen liikkeiden koordinaatioon. Hänen havaintonsa syvyys riippuu visuaalisesta kyvystä tiedostaa ympäröivä maailma ja kyvystä tunnistaa kolme ulottuvuutta aistien avulla.
Analyyttisen geometrian mukaan kolmiulotteinen avaruus kussakin pisteessä kuvataan kolmella karakterisoivalla suureella, joita kutsutaan koordinaatteiksi. Leikkauspisteessä toisiinsa nähden kohtisuorassa sijaitsevat koordinaattiakselit muodostavat origon, jonka arvo on nolla. Minkä tahansa pisteen sijainti avaruudessa määritetään suhteessa kolmeen koordinaattiakseliin, joilla on eri numeerinen arvo kullakin annetulla aikavälillä. Kolmiulotteinen avaruus kussakin yksittäisessä pisteessä määritetään kolmella numerolla, jotka vastaavat etäisyyttä kunkin koordinaattiakselin vertailupisteestä leikkauspisteeseenannettu lentokone. On myös koordinaattikaavioita, kuten pallomaisia ja sylinterimäisiä järjestelmiä.
Lineaarisessa algebrassa kolmiulotteisen ulottuvuuden käsite kuvataan käyttämällä lineaarisen riippumattomuuden käsitettä. Fyysinen avaruus on kolmiulotteinen, koska minkään esineen korkeus ei riipu millään tavalla sen leveydestä ja pituudesta. Lineaarialgebran kielellä ilmaistuna avaruus on kolmiulotteinen, koska jokainen yksittäinen piste voidaan määritellä kolmen toisistaan lineaarisesti riippumattoman vektorin yhdistelmällä. Tässä muotoilussa aika-avaruuskäsitteellä on neliulotteinen merkitys, koska pisteen sijainti eri aikavälein ei riipu sen sijainnista avaruudessa.
Jotkin kolmiulotteisen avaruuden ominaisuudet ovat laadullisesti erilaisia kuin eri ulottuvuuksissa olevien avaruuksien ominaisuudet. Esimerkiksi köyteen sidottu solmu sijaitsee pienemmässä tilassa. Suurin osa fysikaalisista laeista liittyy avaruuden kolmiulotteiseen ulottuvuuteen, esimerkiksi käänteisten neliöiden lait. 3D-avaruus voi sisältää 2D-, 1D- ja 0D-avaruutta, vaikka sitä pidetään osana 4D-avaruusmallia.
Avaruuden isotropia on yksi sen avainominaisuuksista klassisessa mekaniikassa. Avaruutta kutsutaan isotrooppiseksi, koska kun vertailukehystä kierretään minkä tahansa mieliv altaisen kulman läpi, mittaustuloksissa ei tapahdu muutoksia. Momentin säilymisen lakiliikemäärä perustuu avaruuden isotrooppisiin ominaisuuksiin. Tämä tarkoittaa, että avaruudessa kaikki suunnat ovat samanarvoisia, eikä itsenäisen symmetria-akselin määritelmällä ole erillistä suuntaa. Isotropialla on samat fysikaaliset ominaisuudet kaikkiin mahdollisiin suuntiin. Isotrooppinen avaruus on siis väliaine, jonka fysikaaliset ominaisuudet eivät riipu suunnasta.
