由于人眼在观看一个物体时，两眼所见角度不同，形成的像也并不完全相同，因此这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生一种立体视觉。而立体电影就依据人眼的成像原理，以两台摄影机模拟下人眼左右眼所成的像，再在放映过程中使用两台放映机同步放映，使得观众可以有效地呈现出立体观感。3D成像技术有很多种，分为不闪式3D技术、互补色技术、时分法技术、光栅式技术、普式技术、全息式技术等。而其中以时分法为当今所广泛应用，而不闪式技术和互补色技术也有着较为广泛的应用。时分法技术是通过显示器件和3D眼睛的配合工作来实现立体效果，虽然量度偏低，但是立体感比较好，不过由于眼镜制造成本的问题和重影现象严重，这项技术还无法在电影院得到广泛的推广，不过由于其资源的丰富，所以有着较为广泛的应用。互补色技术是目前比较多电影院采用的技术，它将不同视角上的成像用不同的颜色印刻在同一副画面下，再让用户通过红蓝立体镜片来观看到立体效果。由于技术成熟而且眼镜造价相对低廉，所以广为当今的电影院所接受。
3D电影，D是英文Dimension（线度、维）的字头，3D是指三维空间，国际上以3D电影来表示立体电影。人的视觉之所以能分辨远近，是靠两只眼睛的差距，虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，大脑就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。3D电影，通常是用两个镜头从不同方向同时拍摄，然后在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，并将这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。这样，从银幕上看到的景象才有立体感。1982年，迪士尼拍摄了一部《魔法之旅》，虽然这部短片只有16分钟，但通过CGI与真人表演的混合，打造出在当时令人惊讶的3D效果。1983年的3D版《大白鲨3》轰动一时，放映首周就赚得1300万美元的票房。此后，3D电影陷入沉寂。直到2004年，第一部IMAX3D长片《极地特快》诞生。该片在2000块普通2D银幕上放映，IMAX3D银幕只有75块，但就是这75块IMAX3D银幕，却获得总票房的30%。3D+IMAX的“超强组合”，让发行方看到了巨大的商业潜力，也让卡梅隆在2004年就提出3D时代即将到来的说法。如今，3D电影依然没有发展到可以裸眼观看的地步，加上急功近利的电影公司大量投放“伪3D”电影，最近一波3D电影热潮也已开始消退。针对北美电影市场的统计显示，2009年《阿凡达》上映时，3D票房占全部票房的85%，到2010年的《爱丽丝梦游仙境》，比例仍高达70%。然而进入2011年，两大暑期档重磅电影《加勒比海盗：惊涛怪浪》和《功夫熊猫2》上映时，尽管影院已经尽可能多安排了3D场次，但3D银幕贡献的票房比例仍锐减到45%；《赛车总动员2》的3D票房则只有总票房的37%左右，远低于此前预估的55%到65%。在2009年的影坛诞生了一部革命性的电影，那就是《阿凡达》。这部3D大片创世纪的变革，足以跟彩色影片取代黑白影片的里程碑相媲美。12月10日，《阿凡达》登陆北美，成为有史以来最具野心的3D电影。而RealD 3D新技术则成为这部3D电影成功的关键，可谓开启了3D电影的新纪元。RealD公司凭借此片盘活上下游，拉动了整个产业的提升。全球3D技术的领头羊在影院、家庭和专业设施里三管齐下，打造了全球最大的3D平台，提供了超值的观影体验。如今，全球3D电影平台共包括9500块屏幕，其中RealD 3D跟全球48个国家的300个赞助商共同运营了4800屏幕。从《冰河世纪3：恐龙的黎明》、《圣诞颂歌》、《怪兽大战外星人》到卡梅隆的巨制《阿凡达》，在3D电影领域耕耘30年的美国品牌RealD的3D技术得到了广泛应用，不但电影成为院线的头号得分手，而且还成为了厂商巴望合作的香饽饽。据外媒报道，为了让潘多拉星球栩栩如生，卡梅隆跟众多生物学家甚至出了一本书——《潘多拉生物百科全书》，条分缕析、纲举目张地将各种生物的进化和来龙去脉。同时，卡梅隆还使用三个杀手锏，分别是虚拟摄像技术、表情抓取，和联合数字立体摄影机（fusion camera system）。表情抓取的方法跟动作抓取类似，但是更加细腻、难度也更大，导演卡梅隆特意在洛杉矶的Playa Vista建造了5倍于一般表演抓取工作室的大舞台（the volume），安装了120个固定摄像头，全角度抓取演员表情的全部信息；扮演纳威人的演员同时佩戴一个特制的帽子，一部微型DV详细记录所有的面部特写。然后，将95%的面部表情信息传输到数码虚拟人物身上，于是呈现出栩栩如生的外星人效果，观众几乎是真假难辨。而早在《阿凡达》之前，拍摄于1997年的《深渊幽灵》是詹姆斯·卡梅隆拍摄的第一部3D电影，该片采用了数字摄影等先进技术，为3D电影开辟出了一条新路。卡梅隆本人参与了3D摄影机的设计，拍摄使用的是索尼生产的HDW-F900高清数字摄影机。两台摄影机并排，镜头之间的距离与人的眼睛相仿——约69毫米，这需要对机器进行改装。于是工作人员在拆除掉一些部件后把两部摄影机合为一体，取名为“3-DP 摄影机”，这也是詹姆斯·卡梅隆用来拍摄3D立体版《阿凡达》的摄影机。
