人以左右眼看同样的对象，两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并不完全相同，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉。立体电影的原理即为以两台摄影机仿照人眼睛的视角同时拍摄，在放映时亦以两台投影机同步放映至同一面银幕上，以供左右眼观看，从而产生立体效果。
3d立体拍摄时需将两台摄影机架在一具特制的3d立体拍摄架上，并以特定的夹角来拍摄。两台摄影机的同步性非常重要，因为哪怕是几十分之一秒的误差都会让左右眼觉得不协调;所以拍片时必须打板，这样在3d立体剪辑时才能找得到同步点。
放映立体电影时，两台投影机以一定方式放置，并将两个画面点对点完全一致地、同步地投射在同一个银幕内。在每台投影机的镜头前都必须加一片偏光镜，一台是横向偏振片，一台是纵向偏振片(或斜角交叉)，这样银幕就将不同的偏振光反射到观众的眼睛里。观众观看电影时亦要戴上偏振光眼镜，左右镜片的偏振方向必须与投影机搭配，如此左右眼就可以各自过滤掉不合偏振方向的画面，只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机放映的画面，右眼只能看到右机放映的画面。这些画面经过大脑综合后，就产生了立体视觉。
利用人的双眼视角差和会聚功能等特性拍摄的放映时产生立体效果的电影。普通的电影或照片都是一个镜头从单一视角拍摄的，影像都在同一平面上，人只能根据生活经验（如近大远小、光线明暗）产生空间感。而立体电影则是由从类似人两眼的不同视角摄制的具有水平视角差的两幅画面组成的，放映时两幅画面重叠在幕上呈双影，通过特制眼镜或幕前辐射状半锥形透镜光栅，观众左眼看到的是从左视角拍摄的画面、右眼看到的是从右视角拍摄的画面，通过双眼的会聚功能，于是合成为立体视觉影像。观众看到的影像好像有的在幕后深处，有的脱框而出，似伸手可攀，给人以身临其境的逼真感。采用幕前辐射状半锥形透镜光栅的立体电影受观众厅座位区位置的严格限制，观众头部不能随便移动，否则立体效果消失，因此观众感到异常不便。在戴眼镜观看的立体电影中，广泛采用着彩色眼镜法和偏光眼镜法。彩色眼镜法是把左右两个视角拍摄的两个影像，分别以红色和青（或绿）色重叠印到同一画面上，制成一条电影胶片。放映时可用一般放映设备，但观众需戴一片为红另一片为青（或绿）色的眼镜。使通过红镜片的眼睛只能看到红色影像，通过青色镜片的眼睛只能看到青色影像。此法的缺点是观众两眼色觉不平衡，容易疲劳；优点是不需要改变放映设备。初期的立体电影常用这种方法。1985年日本筑波国际科技博览会上展出了采用这种方法的球幕黑白电影，效果更佳。偏光眼镜法的立体电影，从1922年开始一直为各国所重视，有些国家已和大视野的电影相结合，拍成质量更高、效果更好的彩色立体电影。这种电影在放映时，左右画面以偏振轴互为90°的偏振光放映在不会破坏偏振方向的金属幕上，成为重叠的双影，观看时观众戴上偏振轴互为90°、并与放映画面的偏振光相应的偏光眼镜，即可把双影分开获得立体效果。由于制作和放映工艺的不同，偏光立体电影有双机和单机之分。1985年的筑波博览会上展出了70毫米大银幕彩色立体电影。自60年代以来，中国拍摄的立体电影是偏光立体电影。
苏联在70年代研试了全息立体电影，观看时不必戴眼镜，有很大的影像亮度范围。由于观众眼睛的视觉调节和收敛是自然的，不会引起过分紧张和疲劳，观众只要转动头部，即可看到如同实物那样的位置变化，比普通电影有更大的深度感，就象真实物体那样。这种电影仍在研究试验阶段。
