Trīsdimensiju (3D) brilles darbojas, manipulējot ar stereoskopiskās redzes mehāniku, lai radītu dziļuma ilūziju. Stereoskopiskā redze, cilvēku spēja redzēt ar abām acīm, interpretē ievadi no kreisās un labās acs kā vienu attēlu, pat ja acis redz objektus dažādos leņķos. Tas ļauj indivīdiem novērtēt attālumu un dziļumu trīsdimensiju objektos, bet ne plakanos attēlos, kur acis redz maz perspektīvas atšķirību. 3D brilles apvienojumā ar īpaši radītiem attēliem vai video ļauj katrai acij redzēt atšķirīgu attēlu, kas savukārt ļauj indivīda stereoskopiskajam redzējumam interpretēt dziļumu.
Stereoskopiskā redze ļauj cilvēkam redzēt objekta dziļumu un attālumu, kas lielā mērā ir saistīts ar faktu, ka cilvēka kreisā un labā acs atrodas vidēji apmēram 3 collu (7.62 cm) attālumā viena no otras. Tas rada nelielu atšķirību starp katras acs redzes lauku; cilvēki to pamanīs, skatoties uz objektiem tikai ar aizvērtu kreiso aci, pēc tam tikai ar aizvērtu labo aci. Tā kā abas acis redz lietas dažādos leņķos, smadzenes integrē abas informācijas plūsmas vienā 3D objektā. Tomēr šī iespēja ir ierobežota, ja objekti tiek attēloti plakanā divdimensiju attēlā, kā tie ir uz televīzijas un filmu ekrāniem. 3D brilles pārvar šo ierobežojumu, ļaujot katrā acī iekļūt citam attēlam, izmantojot krāsu filtrus vai īpaši polarizētas lēcas.
3D filmas, skatoties bez 3D brillēm, bieži izskatās izplūdušas vai nedaudz izkropļotas. Tas ir saistīts ar faktu, ka patiesībā ekrānā ir divi nedaudz atšķirīgi attēli, katrs nedaudz atšķirīgā leņķī no otra. 3D brilles atdala divus attēlus vienu no otra, vienu uz kreiso aci un otru labajā acī. Tas atkārto stereoskopiskās redzes ietekmi uz 3D objektiem, ļaujot attēliem 3D televīzijā un filmu ekrānos izskatīties dziļi, neskatoties uz to divdimensiju raksturu.
3D ilūziju radīšanai tiek izmantotas divas metodes: krāsu filtrēšana un objektīva polarizācija. Krāsu filtrēšanai tiek izmantotas 3D brilles ar dažādu krāsu lēcām — bieži vien sarkanām un zilām —, lai bloķētu vienu no ekrānā redzamajiem attēliem no katras acs. Gan attēlu, gan brilles izgatavošana parasti ir lēta, taču attēliem ir krāsu zudums filtru dēļ. Mūsdienu tehnoloģijas izmanto attēlus, kas filmēti ar dažādām polarizācijām, lai radītu 3D ilūziju ar minimālu krāsu zudumu. 3D brillēm, kurās tiek izmantota šī tehnika, ir lēcas ar atšķirīgu polarizāciju — viens objektīvs, kas atbilst katrai ekrānā redzamā attēla polarizācijai, lai radītu dziļuma sajūtu.