数学および幾何学における3次元空間の定義は、「互いに直交する3本の軸(X軸・Y軸・Z軸)によって、すべての位置を特定できる空間」です。点(0次元)、線(1次元)、面(2次元)に対して、厚みや奥行きが加わった状態が「3次元立体」と呼ばれます。
もっとも直感的な3次元と2次元の違いは「厚み(深さ)の有無」です。紙に描かれたイラストやスマートフォンの液晶画面自体は2次元(平面)の情報であり、そこに影やパースを付けて立体的に見せていたとしても、物理的な実体としての厚みは存在しません。対して、私たちが日常的に触れるコップや机、建物はすべて3つの方向に広がりを持つ3次元立体です。
さらに視野を広げると4次元との違いが浮かび上がります。古典力学やアインシュタインの相対性理論では、3次元の空間軸に「時間軸(T軸)」を加えた「4次元時空」として世界を捉えます。数学的には4本目の空間軸(W軸)を想定した「4次元超立方体(テッセラクト)」などの幾何学モデルが存在しますが、3次元の知覚器官しか持たない人間が4本目の空間方向を直接視認することは不可能です。