Mô hình hóa ba chiều (3D) là một lãnh vực phát triển nhanh chóng trong CAD, nó là một cuộc cách mạng trong việc ứng dụng máy tính vào quá trình thiết kế. Các phần mềm thiết kế 3D, được bắt đầu sử dụng vào những năm 1980, ngày càng phổ biến trong công nghiệp.
Như phương pháp vẽ truyền thống, các bản vẽ hai chiều (2D) trong các phần mềm CAD trình bày vật thể trong mặt phẳng XY. Do đó 2D CAD chỉ là công cụ vẽ bằng máy tính (computer drafting tools) và sản phẩm cuối cùng là in ra giấy.
Ngược lại, các mô hình 3D không chỉ là vẽ một đối tượng mà là hình ảnh thực của vật thể. Do đó 3D CAD là công cụ mô hình hóa bằng máy tính (computer modeling tool).
Sự xuất hiện và phát triển của hệ thống SKETCHPAD của Ivan Sutherland thuộc trường Đại học Kỹ thuật Massachusetts vào năm 1962 được coi là mở đầu của CAD. Tuy nhiên đầu tiên hệ thống này chỉ thực hiện các bản vẽ hai chiều. Hệ thống SKETCHPAD III, được phát triển sau đó bởi T.E. Johnson, cho phép biểu diễn vật thể bởi các mô hình 3D với mức độ giới hạn do tốc độ tính của máy lúc đó còn hạn chế.
Sự phát triển của các phần mềm CAD liên quan đến sự phát triển phần cứng. Vì giá thành của máy tính lớn vào những năm 60, 70 rất cao, do đó chỉ có Nhà nước hoặc Công ty lớn của các nước công nghiệp phát triển mới có thể trang bị và sử dụng các phần mềm CAD. Trong thời kỳ này các phần mềm CAD sử dụng trong công ty Hàng không, Ô tô, Quân sự, Tuy nhiên do số lượng tính toán khi thiết kế mô hình 3D rất lớn và tốc độ máy còn chậm nên sự ứng dụng còn hạn chế.
