Kolmemõõtmeline ruum on geomeetriline mudel maailmast, milles me elame. Seda nimetatakse kolmemõõtmeliseks, kuna selle kirjeldus vastab kolmele ühikvektorile, millel on pikkuse, laiuse ja kõrguse suund. Kolmemõõtmelise ruumi tajumine kujuneb välja juba väga varases eas ja on otseselt seotud inimese liigutuste koordineerimisega. Tema taju sügavus oleneb visuaalsest võimest teadvustada ümbritsevat maailma ja võimest tuvastada meelte abil kolm mõõdet.
Analüütilise geomeetria järgi kirjeldatakse kolmemõõtmelist ruumi igas punktis kolme iseloomustava suurusega, mida nimetatakse koordinaatideks. Lõikepunktis üksteisega risti asetsevad koordinaatteljed moodustavad lähtepunkti, mille väärtus on null. Ruumi mis tahes punkti asukoht määratakse kolme koordinaattelje suhtes, millel on igal antud intervallil erinev arvväärtus. Kolmemõõtmeline ruum igas üksikus punktis määratakse kolme numbriga, mis vastavad kaugusele iga koordinaattelje tugipunktist ja lõikepunktistantud lennuk. Samuti on olemas koordinaatskeemid, nagu sfäärilised ja silindrilised süsteemid.
Lineaaralgebras kirjeldatakse kolmemõõtmelise mõõtme mõistet, kasutades lineaarse sõltumatuse mõistet. Füüsiline ruum on kolmemõõtmeline, kuna ühegi objekti kõrgus ei sõltu kuidagi selle laiusest ja pikkusest. Lineaaralgebra keeles väljendatuna on ruum kolmemõõtmeline, kuna iga üksiku punkti saab määratleda kolme üksteisest lineaarselt sõltumatu vektori kombinatsiooniga. Selles sõnastuses on aegruumi mõistel neljamõõtmeline tähendus, sest punkti asukoht erinevatel ajavahemikel ei sõltu selle asukohast ruumis.
Mõned kolmemõõtmelise ruumi omadused erinevad kvalitatiivselt erinevas mõõtmes olevate ruumide omadustest. Näiteks nöörile seotud sõlm asub väiksema mõõtmega ruumis. Enamik füüsikaseadusi on seotud ruumi kolmemõõtmelise mõõtmega, näiteks pöördruutude seadused. 3D-ruum võib sisaldada 2D-, 1D- ja 0D-ruume, kuigi seda peetakse 4D-ruumimudeli osaks.
Ruumi isotroopia on üks selle võtmeomadusi klassikalises mehaanikas. Ruumi nimetatakse isotroopseks, kuna võrdlusraami pööramisel suvalise nurga all ei toimu mõõtmistulemustes muutusi. Momendi jäävuse seadusimpulss põhineb ruumi isotroopsetel omadustel. See tähendab, et ruumis on kõik suunad võrdsed ja iseseisva sümmeetriatelje määratlusega eraldi suunda ei ole. Isotroopial on kõigis võimalikes suundades samad füüsikalised omadused. Seega on isotroopne ruum keskkond, mille füüsikalised omadused ei sõltu suunast.
