3D modelleme, genel olarak bilgisayar grafikleri kullanarak 3D modelleme için özel programlar ile canlı veya cansız bir nesnenin üç boyutlu matematiksel modelinin geliştirilmesi sürecine denir. 3D modelleme süreci ile hazırlanan 3D modeller çoğu zaman 3D rendering denilen modelin gerçekçi bir görünüme kavuşmasını sağlayan araçlarla birlikte eş zamanlı olarak kullanılır. 3D modelleme sürecinde bilgisayar grafiklerinin verileri genellikle kullanıcı tarafından tıpkı heykel ve plastik sanatlara benzer şekilde adım adım işlenerek elde edilir.
Çoğu zaman kullanıcı tarafından elle yapılan 3D modelleme, bazı durumlarda otomatik de yapılabilir. Otomatik yapılan 3D modellemeler, daha önce yapılmış algoritmalara belli değerlerin girilmesiyle veya 3D tarayıcı gibi çeşitli tarama cihazlarıyla yapılabilir. Örneğin hastanelerde kullanılan MR cihazları da bir çeşit 3D tarayıcı görevi görmektedir.

Türkiye’de ve dünyada kullanım alanı oldukça geniş olan 3D modelleme, inşaatı yapılacak bir yapının üç boyutlu modelinin yapılması için kullanıldığı gibi imalatı yapılacak bir ürünün modelinin hazırlanması için de kullanılır. Günümüzde oyun ve animasyon dünyasının vazgeçilmez bir parçası halini alan 3D modellerin tarihi, kişisel bilgisayarlardan bile daha eskiye dayanır. Başta filmlervideo oyunlarıiç tasarım ve mimaride kullanılan 3D modellere, tıp sektöründe de anatomi gibi interaktif sunumlar için başvurulur.
3D modellemenin yaygın olarak kullanıldığı sektörlerden bir diğeri de imalat sektörüdür. 3D modelleme ile esas üretimi yapılacak mekanik bir parçanın veya modelin dijital sunumu daha üretim yapılmadan hazırlanabilir. CAD ve CAM adı verilen yöntemler ile bilgisayar programları ile yapılan 3D modeller, yalnızca tasarım değil üretim ve montaj aşamalarında da kullanıcılara kolaylık sağlar. 3D modelleme ayrıca medya ve organizasyonlarda sahne ve set tasarımlarında da kullanılır.