Istnieje ogromna liczba określonych rodzajów trójwymiarowej (3D) grafiki komputerowej, które są wykorzystywane w równie ogromnej liczbie zastosowań. Najbardziej podstawowy rodzaj grafiki 3D służy do renderowania pojedynczych scen lub obrazów, czasami w celach reklamowych lub innych mediach, a czasami wyłącznie do celów artystycznych. Bardziej rygorystycznie ustrukturyzowana grafika 3D jest często wykorzystywana w wizualizacjach matematycznych i naukowych, w których grafika jest wynikiem równań lub skompilowanych danych, w przeciwieństwie do obiektów modelowanych przez projektantów. Zaawansowane oprogramowanie 3D może służyć do tworzenia animacji do filmów, telewizji lub innych mediów. Inne rodzaje grafiki 3D obejmują grafikę gier, która często jest grafiką symulacyjną z ograniczonymi wielokątami, która jest wynikiem złożonych algorytmów zaprojektowanych do emulacji fizyki świata rzeczywistego lub renderowanej wolumetrycznej grafiki medycznej i inżynierskiej, która jest używana do wirtualnego eksploracji wnętrza trójwymiarowego obiektu takich jak ludzkie ciało.
Używanie grafiki 3D do renderowania nieruchomej sceny odbywa się na wielu polach z różnych powodów. Oprócz motywów artystycznych, niektóre programy do projektowania wnętrz lub architektoniczne renderują nieruchome sceny na potrzeby realistycznych wizualizacji. Firmy marketingowe często wykorzystują projekty 3D w kampaniach, ponieważ renderowane obiekty są dynamiczne i mogą być ponownie wykorzystywane w oprogramowaniu 3D bez konieczności powtarzania sesji zdjęciowych. Projektanci stron internetowych również czasami renderują elementy w 3D, aby uzyskać bardziej dramatyczny lub realistyczny wygląd.
Istnieje kilka zastosowań grafiki 3D, które nie tworzą obiektów lub scen, które są rozpoznawalne. W zastosowaniach matematycznych i wizualizacji naukowej renderowane grafiki są często z konieczności trójwymiarowe, ponieważ zestawy danych są wielowymiarowe i nie można ich łatwo przeanalizować na wykresie dwuwymiarowym (3D). Dane meteorologiczne i topograficzne również mogą należeć do tej kategorii, chociaż nierzadko mapuje się niektóre z tych informacji na symulowane obrazy Ziemi lub renderuje wyciągnięty teren z danych w celu stworzenia realistycznego obrazu.
Jednym z największych profesjonalnych zastosowań grafiki 3D jest animacja. Animacje trójwymiarowe można wykorzystać w filmach, telewizji, mediach internetowych i szkoleniach edukacyjnych. Niektóre wysokiej jakości animacje 3D wymagają tak intensywnego sprzętu i czasu, że istnieją firmy znane jako farmy renderujące, które tylko renderują obrazy 3D dla animatorów z innych firm, aby można je było później połączyć we w pełni funkcjonalną animację.
Gry wideo wykorzystują grafikę 3D w sposób, który wydaje się podobny do animacji 3D, ale w rzeczywistości jest bardzo inny. Gry wykorzystujące grafikę w 3D na ogół muszą używać modeli, które zajmują jak najmniej pamięci i renderują na ekranie tak szybko, jak to możliwe, aby uzyskać płynną liczbę klatek na sekundę, co jest bezpośrednim przeciwieństwem większości animacji multimedialnych 3D. Niektóre gry wykorzystują jednak wysokiej jakości animacje 3D, które są wstępnie renderowane i odtwarzane jako klipy wideo. Gry wideo i grafika rzeczywistości wirtualnej 3D mogą się nakładać, głównie dlatego, że w niektórych przypadkach wirtualne środowisko 3D można prawdopodobnie uznać za grę wideo, ale bez opisowej logiki gry zastosowanej do działań widza.
Jednym z największych zastosowań grafiki 3D jest obrazowanie medyczne. Grafika jest wykorzystywana do implementacji renderowania objętości, w którym techniki takie jak obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) są wykorzystywane do wykonywania bardzo cienkich zdjęć 2D ciała wzdłuż określonej osi. Wszystkie te obrazy 2D są następnie łączone, tworząc model 3D prawdziwego ludzkiego ciała, którym można manipulować i całkowicie badać w komputerze.