Os quebra-cabeças tridimensionais, ou quebra-cabeças 3D, dão algumas voltas no formato de quebra-cabeça convencional. Normalmente, esses quebra-cabeças apresentam design multidimensional de três maneiras principais. Por um lado, o quebra-cabeça pode funcionar como um filme 3D, onde óculos 3D são necessários para fazer a imagem do quebra-cabeça ganhar profundidade. Um quebra-cabeça 3D lenticular ganha dimensionalidade por meio do movimento. Outros fabricantes de quebra-cabeças levam os quebra-cabeças 3D a um nível mais literal, em que todo o quebra-cabeça é construído de forma que tenha a forma de um objeto real.
Resolver quebra-cabeças é um passatempo popular para adultos e crianças. Essas atividades desafiadoras tradicionalmente envolvem a montagem de um pedaço plano, geralmente quadrado de papelão cortado em pedaços de formatos variados. Os gráficos adornam essas peças e, quando o quebra-cabeça é montado, uma imagem completa emerge. Quando um quebra-cabeça é 3D, ele tem uma imagem que parece tridimensional ou o próprio quebra-cabeça tem dimensão.
Os verdadeiros quebra-cabeças 3D têm profundidade, forma e dimensão que simulam algo real. Por exemplo, muitos fabricantes comercializam quebra-cabeças projetados como modelos de edifícios famosos que, quando construídos, são essencialmente versões em miniatura de seus equivalentes da vida real. Ao contrário de um quebra-cabeça mais tradicional, esses tipos de quebra-cabeça geralmente são construídos do zero. As peças também são mais grossas, mais resistentes e com formato mais angular do que as peças normais de um quebra-cabeça. Outros exemplos de quebra-cabeças tridimensionais de réplica podem incluir quebra-cabeças de globo e quebra-cabeças de animais.
Quebra-cabeças lenticulares e gráficos 3D normalmente têm a estrutura tradicional de quebra-cabeça plana, mas as peças criam uma imagem 3D. Os quebra-cabeças gráficos 3D regulares mesclam imagens sobrepostas de uma maneira que cria a ilusão de profundidade ao usar óculos de visualização 3D especiais. Além disso, as imagens podem ser construídas de modo que pareçam se mover quando vistas de vários ângulos. Esse tipo de efeito pode resultar do uso de uma lente lenticular, que envolve tirar imagens com pequenas variações e imprimi-las em camadas em papel ou material plástico. Os quebra-cabeças de imagem estereoscópica requerem apenas uma pequena mudança no ângulo de visão de cada olho para processar uma imagem diferente e perceber a profundidade, enquanto a transformação dos quebra-cabeças de impressão 3D exige uma mudança significativa nos ângulos de visão do quebra-cabeça.
Alguns tipos de dispositivos de solução de problemas também podem ser considerados quebra-cabeças 3D. Além dos quebra-cabeças, qualquer dispositivo que obrigue o usuário a navegar por um desafio ou negociar uma série de opções para chegar a uma solução pode ser considerado um quebra-cabeça. Assim, objetos de mão, como o Cubo de Rubik, podem ser vistos como um quebra-cabeça 3D. Este objeto específico é um cubo com vários padrões de cores que o usuário deve combinar por meio de movimentos de torção.