חלל תלת מימדי הוא מודל גיאומטרי של העולם שבו אנו חיים. זה נקרא תלת מימדי מכיוון שהתיאור שלו מתאים לשלושה וקטורים של יחידות בעלי כיוון באורך, רוחב וגובה. תפיסת המרחב התלת מימדי מתפתחת בגיל מוקדם מאוד וקשורה ישירות לתיאום תנועות האדם. עומק תפיסתו תלוי ביכולת החזותית של מודעות לעולם הסובב וביכולת לזהות תלת מימד בעזרת החושים.
לפי גיאומטריה אנליטית, המרחב התלת מימדי בכל נקודה מתואר על ידי שלוש כמויות מאפיינות, הנקראות קואורדינטות. צירי הקואורדינטות, הממוקמים בניצב זה לזה, בנקודת החיתוך יוצרים את המקור, שערך אפס. המיקום של כל נקודה במרחב נקבע ביחס לשלושה צירי קואורדינטות בעלי ערך מספרי שונה בכל מרווח נתון. המרחב התלת מימדי בכל נקודה בודדת נקבע על ידי שלושה מספרים התואמים למרחק מנקודת הייחוס בכל ציר קואורדינטות לנקודת החיתוך עםמטוס נתון. קיימות גם תוכניות קואורדינטות כגון מערכות כדוריות וגליליות.
באלגברה לינארית, המושג של ממד תלת מימדי מתואר באמצעות המושג עצמאות ליניארית. המרחב הפיזי הוא תלת מימדי מכיוון שגובהו של עצם כלשהו אינו תלוי בשום צורה ברוחב ובאורכו. ביטוי בשפה של אלגברה לינארית, המרחב הוא תלת מימדי מכיוון שניתן להגדיר כל נקודה בודדת על ידי שילוב של שלושה וקטורים שאינם תלויים זה בזה באופן ליניארי. בניסוח זה, למושג מרחב-זמן יש משמעות ארבע-ממדית, מכיוון שמיקום נקודה במרווחי זמן שונים אינו תלוי במיקומה במרחב.
כמה מאפיינים שיש למרחב תלת מימדי שונים מבחינה איכותית ממאפיינים של חללים שנמצאים בממד אחר. לדוגמה, קשר קשור בחבל ממוקם בחלל בעל מימד קטן יותר. רוב החוקים הפיזיקליים קשורים למימד התלת מימדי של החלל, למשל, חוקי הריבועים ההפוכים. מרחב תלת-ממדי יכול להכיל חללים דו-ממדיים, דו-ממדיים ו-0-ממדיים, בעוד שהוא נחשב לחלק ממודל החלל התלת-ממדי.
האיזוטרופיה של החלל היא אחת מתכונות המפתח שלו במכניקה הקלאסית. החלל נקרא איזוטרופי מכיוון שכאשר מסגרת הייחוס מסובבת דרך כל זווית שרירותית, אין שינויים בתוצאות המדידה. חוק שימור הרגעהמומנטום מבוסס על התכונות האיזוטרופיות של החלל. זה אומר שבמרחב כל הכיוונים שווים ואין כיוון נפרד עם הגדרה של ציר סימטריה עצמאי. לאיזוטרופיה אותן תכונות פיזיקליות בכל הכיוונים האפשריים. לפיכך, מרחב איזוטרופי הוא מדיום שתכונותיו הפיזיקליות אינן תלויות בכיוון.
