1839年，英国科学家查理-惠斯顿爵士根据“人类两只眼睛的成像是不同的”发明了一种立体眼镜，让人们的左眼和右眼在看同样图像时产生不同效果，这就是今天3D眼镜的原理。
19世纪末，英国威廉姆-弗莱斯-格林发明了世界上第一套放映和观看3D电影的装置，但因繁杂缺乏实用推广性，所以并没有戏院采用。
1900年，弗雷德里克-尤金-艾维斯发明了模仿人眼原理的立体摄像机。
1915年6月10日，埃德温-波特和威廉-瓦德尔在纽约阿斯特戏院试验他们的红绿立体电影，放映了包括田园风光在内的多段测试片段，现场仅一位观众。
1922年9月27日，哈利-费尔奥和摄像师罗伯特-艾尔德制作世界上第一部3D电影《爱的力量》，采用了红绿立体电影模式，在洛杉矶大使饭店戏院放映的，同样只有一名观众，院线没人愿买。
20年代末30年代初，法国路易斯-卢米埃尔把他1895年的《火车进站》制作成了3D电影。
1936年，雅各布-莱温赛尔和约翰-诺林为米高梅公司拍摄了短片《Audioscopiks》系列，入场观众都被发了一副红绿眼镜，效果在当时极其震撼，该片获得了当年奥斯卡最佳短片奖的提名。
1936年，拍立得公司创始人埃德温-赫伯特-兰德发明了偏光膜技术，这种技术可以让光线振动方式发生改变。埃德温发明偏光膜的初衷是想用它来避免汽车头灯过于刺眼，但这种技术后来却对3D电影的发展起到了深远影响。
1941年，米高梅拍摄了《第三维度的凶手》，把弗兰肯斯坦的故事放到了3D电影当中，这也是当时为数不多的3D故事片之一。
1951年，环球公司推出最有名的3D恐怖片《黑湖妖谭》，该片也是至今为止惟一一部有续集的3D电影。新版《黑湖妖谭》计划在2011年上映。
1952年，第一部彩色3D电影《博瓦纳的魔鬼》大大提升了3D电影的娱乐效果。讲述非洲探险的《非洲历险记》被认定为是史上第一部真正的3D长片。
1953年，哥伦比亚推出《黑暗中的人》，华纳公司推出《蜡像馆》，这两部影片都取得巨大的票房成功，同时具有划时代意义，尤其是后者还首次采用了立体声，使得观众视觉、听觉上同时身临其境。此后，迪士尼、环球、20世纪福克斯都加入了3D商业电影这股洪流，迪士尼还把这种电影带进了迪士尼乐园，展现了3D技术在娱乐业中的其他应用前景。
1953年，环球公司出品、杰克阿诺德执导的科幻片《来自宇宙的危险》讲述了一艘外太空宇宙飞船在亚利桑那州沙漠着陆后发生的故事。
希区柯克在1954年拍摄了3D版的《电话谋杀案》，成为了当时3D片中为数不多的精品。此后一两年，3D电影产量增多，质量良莠不齐。1955年，随着《怪物复仇记》的上映，短暂的“3D黄金期”结束了。
70年代后，环幕电影、球幕电影、IMAX巨幕电影纷纷诞生，3D电影技术有了长足发展，以前的3D电影需要两台放映机同步把画面投射到两边的银幕上，稍差一点都会严重影响观看效果，但随着阿兰-西里芬特和克里斯-戈登发明的“Stereovision”专利技术出现，这一难题得到了解决。这种技术可以把左右两只眼睛看到的画面交替地印在一套普通35毫米电影胶片上，放映机以48帧/秒(通常速度的两倍)的速度放映，放映镜头前加上一个周期转动的遮光板，于是两套画面交替出现，不过由于视觉延时观众并不会察觉。
第一部使用“Stereovision”技术制作的3D影片是一部色情片《空姐》，该片以10万美元成本赚取2700万票房(相当于现在的一亿多美元)，令人诧异的成为电影史上最卖座的3D电影，在它的带动下，整个70年代的3D电影多半是些成人和恐怖片，甚至还有把两者结合在一起的。
进入八十年代后，3D电影的题材开始变得丰富，故事片、纪录片、恐怖片、动作片纷纷以3D为卖点，其中比较有代表性的是1981年的西部片《枪哈特》，影片中的拔枪、射子弹、飞刀等扑面而来的镜头让很多观众惊出了一身冷汗。
整个80年代早中期诞生了大量的3D电影，如《13号星期五》(1982)、《鬼哭神嚎》(1983)、《大白鲨3D》(1983)等，但有很多艺术水准不高、3D技术的局限性依然很大，很快在新鲜感散去后，3D电影再次被观众打入冷宫，以至于很长时间内人们只能在一些游乐场所看到这样的电影了。
1982年，迪士尼拍摄了16分钟短片《魔法之旅》，通过CG与真人表演的混合，打造出了在当时令人惊讶的3D效果。
1985年，《魔晶战士》成为世界首部3D动画长片。
1996年，詹姆斯-卡梅隆为《终结者2》制作过一支迷你的3D电影续集，不过这部短片是为环球影城制作的，一般观众不大有机会看到。 他预测，2009年是3D电影元年，立体电影时代即将到来。
2003年，詹姆斯-卡梅隆试水拍摄了3D纪录片《深渊幽灵》，在拍摄这部影片时，卡梅隆创造了一种能有效降低视觉疲劳的3D拍摄方式，这套系统后来还用在了他2005年IMAX 3D纪录片《深海异形》中。《特工小子3》和《鲨鱼男孩和岩浆女孩》也用到了这一技术。
2004年感恩节，华纳公司的动画大片《极地快车》同步推出了IMAX 3D版，影片在全球80多家IMAX影院总共取得了近6000万美元的票房，创造了IMAX商业放映的纪录，其北美票房收入有25%都来自于IMAX 3D，3D电影的魅力由此可见一斑。
2005年美国Showest展会上，众多电影人和院线经理为数字电影摇旗呐喊，称其是继有声电影、彩色电影之后的第三次电影技术革命，同时他们乐观的预计数字化的3D电影将是未来电影业的主流。好莱坞几大巨头詹姆斯-卡梅隆、斯皮尔伯格、杰弗瑞-卡森伯格都是数字3D电影的拥趸。
2005年11月，电影史上第一部数字3D电影、迪士尼动画片《四眼天鸡》上映，这部影片采用的是杜比的普通2D转制成3D的技术，为此杜比公司还特别在100家选定影院安装了带有3D电影放映功能的杜比数字影院系统。《四眼天鸡》3D版的票房异常火爆，其单厅票房比普通版本高出近4倍，尝到了甜头的好莱坞在其后几年大量推出这种转制而成的数字3D电影，其中大部分都是动画片，如《怪兽屋》、《别惹蚂蚁》、《拜访罗宾逊一家》、《圣诞夜惊魂3D》等。
2009年12月18日，《阿凡达》上映。
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