Трехмерное пространство является геометрической המודל של העולם שבו אנו חיים. זה נקרא תלת מימדי כי התיאור שלו מתאים לשלושה יחידות וקטור בעל כיוון אורך, רוחב וגובה. התפיסה של המרחב התלת-ממדי מתפתחת בגיל צעיר מאוד וקשורה ישירות לתיאום תנועות האדם. עומק התפיסה שלו תלוי ביכולת החזותית של המודעות של העולם וביכולת לזהות שלושה ממדים בעזרת החושים.
על פי הגיאומטריה האנליטית, תלת מימדהחלל בכל נקודה מתואר על ידי שלוש כמויות מאפיינות, הנקראות קואורדינטות. צירי הקואורדינטות, הממוקמים בניצב זה לזה, בנקודת החיתוך מהווים מקור של קואורדינטות, בעלות ערך אפס. המיקום של כל נקודה במרחב נקבע ביחס לשלושה צירים קואורדינטות בעלי ערכים מספריים שונים בכל מרווח נתון. מרחב תלת מימדי בכל נקודה בודדת מוגדר על ידי שלושה מספרים התואמים את המרחק מהמקור בכל ציר קואורדינטות לנקודת החיתוך עם מישור נתון. ישנן גם תכניות קואורדינטות כגון מערכות כדוריות וגליליות.
באלגברה לינארית, המושג מימד תלת מימדיתואר באמצעות המושג עצמאות לינארית. המרחב הפיזי הוא תלת מימדי מכיוון שגובהו של אובייקט כלשהו אינו תלוי בשום צורה ברוחבו ובאורכו. בשפת האלגברה הליניארית, החלל הוא תלת מימדי מכיוון שניתן לקבוע כל אחת מהנקודות הבודדות שלו על ידי שילוב של שלושה וקטורים שאינם תלויים זה בזה. בניסוח זה, למושג מרחב-זמן יש משמעות ארבע-ממדית, מכיוון שמיקום נקודה במרווחי זמן שונים אינו תלוי במיקומה במרחב.
כמה מאפיינים תלת מימדייםחלל, שונה איכותית מהתכונות של חללים שנמצאים בממד אחר. לדוגמא, קשר הקשור בחבל נמצא במרחב של פחות ממד. מרבית החוקים הפיזיקליים קשורים לממד התלת מימדי של החלל, למשל לחוקי הריבועים ההפוכים. מרחב תלת מימדי יכול להכיל חללים דו מימדיים, חד ממדיים ואפסיים, בעוד שהוא עצמו נחשב לחלק מהמודל של המרחב הארבע ממדי.
האיזוטרופיה של החלל היא אחת מה-תכונות המפתח שלה במכניקה הקלאסית. החלל נקרא איזוטרופי מכיוון שכאשר מסתובבת מערכת הייחוס לזווית שרירותית כלשהי, לא חלים שינויים בתוצאות המדידה. חוק שימור המומנטום הזוויתי מבוסס על התכונות האיזוטרופיות של החלל. המשמעות היא שבחלל כל הכיוונים שווים ואין כיוון נפרד עם הגדרת ציר סימטריה עצמאי. לאיזוטרופיה יש את אותם תכונות פיזיקליות בכל הכיוונים האפשריים. לפיכך, המרחב האיזוטרופי הוא מדיום שתכונותיו הפיזיקליות אינן תלויות בכיוון.
