Dreidimensionale (3D) Brillen funktionieren, indem sie die Mechanik des stereoskopischen Sehens manipulieren, um eine Illusion von Tiefe zu erzeugen. Stereoskopisches Sehen, die Fähigkeit des Menschen, mit beiden Augen zu sehen, interpretiert die Eingaben des linken und rechten Auges als ein einziges Bild, auch wenn die Augen Objekte aus unterschiedlichen Winkeln sehen. Dies ermöglicht es Einzelpersonen, Entfernung und Tiefe bei dreidimensionalen Objekten zu messen, jedoch nicht bei flachen Bildern, bei denen die Augen nur geringe Perspektivenunterschiede sehen. 3D-Brillen in Kombination mit speziell angefertigten Bildern oder Videos ermöglichen es jedem Auge, ein anderes Bild zu sehen, was wiederum dem stereoskopischen Sehen einer Person ermöglicht, die Tiefe zu interpretieren.
Stereoskopisches Sehen ermöglicht es einer Person, die Tiefe und Entfernung eines Objekts zu sehen, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass das linke und das rechte Auge einer Person im Durchschnitt etwa 3 Zoll (7.62 cm) voneinander entfernt sind. Dadurch entsteht ein kleiner Unterschied zwischen dem Sichtfeld jedes Auges; Personen werden dies bemerken, indem sie nur mit geschlossenem linken Auge auf Objekte starren, dann nur mit geschlossenem rechten Auge. Da die beiden Augen die Dinge aus unterschiedlichen Blickwinkeln sehen, integriert das Gehirn beide Informationsströme in ein einziges 3D-Objekt. Diese Fähigkeit ist jedoch eingeschränkt, wenn Objekte in einem flachen zweidimensionalen Bild dargestellt werden, wie dies auf Fernseh- und Filmbildschirmen der Fall ist. 3D-Brillen überwinden diese Einschränkung, indem sie mithilfe von Farbfiltern oder speziell polarisierten Linsen ein anderes Bild in jedes Auge eindringen lassen.
3D-Filme erscheinen beim Betrachten ohne 3D-Brille oft verschwommen oder leicht verzerrt. Dies liegt daran, dass auf dem Bildschirm tatsächlich zwei leicht unterschiedliche Bilder angezeigt werden, die jeweils in einem etwas anderen Winkel zueinander stehen. 3D-Brillen trennen die beiden Bilder voneinander und präsentieren das eine dem linken Auge und das andere dem rechten. Dies repliziert die Wirkung des stereoskopischen Sehens auf 3D-Objekte und lässt die Bilder auf 3D-Fernseh- und Filmbildschirmen trotz ihrer zweidimensionalen Natur Tiefe erscheinen.
Es gibt zwei Techniken, die verwendet werden, um 3D-Illusionen zu erzeugen: Farbfilterung und Linsenpolarisation. Bei der Farbfilterung werden 3D-Brillen mit unterschiedlich gefärbten Linsen – oft rot und blau – verwendet, um eines der Bildschirmbilder von jedem Auge auszublenden. Die Herstellung sowohl der Bilder als auch der Brille ist in der Regel kostengünstig, jedoch erleiden die Bilder durch die Filter einen Farbverlust. Moderne Technologie verwendet Bilder, die mit unterschiedlichen Polarisationen gefilmt wurden, um die 3D-Illusion mit minimalem Farbverlust zu erzeugen. 3D-Brillen, die diese Technik verwenden, haben Linsen mit unterschiedlichen Polarisationen – eine Linse, die jeder Polarisation auf dem Bildschirm entspricht – um ein Gefühl von Tiefe zu erzeugen.