Geleneksel üretim yöntemlerinin çoğu, bir malzeme bloğundan fazlalıkları kesip atarak ya da erimiş malzemeyi kalıplara dökerek nesneler üretir. Bir heykeltıraşın mermer bloğu yontması gibi, bir torna tezgâhı da metal bir parçadan istenmeyen kısımları kazıyarak istenen biçimi elde eder. Üç boyutlu yazıcılar ise tamamen farklı bir ilkeyle çalışır: Nesneleri, malzemeyi katman katman üst üste ekleyerek oluştururlar. Bu nedenle bu teknolojiye "eklemeli üretim" adı da verilir.

Üç boyutlu yazıcının çalışma ilkesi, basit bir örnekle anlaşılabilir. Bir kek yaparken krema sıkan bir pastacıyı düşünelim. Pastacı, kremayı önce bir katman hâlinde sıkar, sonra onun üzerine bir katman daha ekler ve bu şekilde devam ederek üç boyutlu bir süsleme oluşturur. Yaygın türdeki bir üç boyutlu yazıcı da benzer biçimde çalışır. Isıtılarak eritilen plastik bir malzeme, ince bir uçtan geçirilerek önceden belirlenmiş bir desene göre katmanlar hâlinde yerleştirilir. Her katman soğuyup katılaşırken, üzerine bir sonraki katman eklenir. Bu işlem, nesne tamamlanana kadar yüzlerce, hatta binlerce kez tekrarlanır.

Üretilecek nesne, önce bilgisayarda üç boyutlu bir model olarak tasarlanır. Özel bir yazılım, bu modeli çok ince yatay dilimlere böler ve yazıcıya her katmanı nasıl oluşturacağını bildiren talimatlar gönderir. Plastiklerin yanı sıra metaller, seramikler, beton ve hatta canlı hücreler gibi pek çok farklı malzemeyle çalışabilen üç boyutlu yazıcılar geliştirilmiştir.

Üç boyutlu yazıcıların en büyük avantajlarından biri, karmaşık biçimlerin geleneksel yöntemlere göre çok daha kolay üretilebilmesidir. Geleneksel yöntemlerle üretilmesi imkânsız ya da çok pahalı olan iç içe geçmiş yapılar, boşluklar ve karmaşık geometriler, katman katman üretimde kolayca oluşturulabilir. Bu özellik, özellikle havacılık sektöründe, hem hafif hem de dayanıklı parçaların üretilmesine olanak tanımaktadır.

Bir başka önemli avantaj, kişiye özel üretimin kolaylaşmasıdır. Geleneksel seri üretimde, bir ürünün binlerce aynı kopyasını üretmek ekonomiktir; ancak her birini farklı yapmak çok pahalıdır. Üç boyutlu yazıcılarda ise her ürünün farklı olması, maliyeti önemli ölçüde artırmaz. Bu durum, tıp alanında büyük olanaklar sunmaktadır. Hastanın vücuduna tam olarak uyan protezler, işitme cihazları, diş implantları ve ameliyat öncesinde cerrahların prova yapabileceği organ modelleri, üç boyutlu yazıcılarla üretilebilmektedir.

Üç boyutlu yazıcılar, ilk ortaya çıktıklarında, her evde bir yazıcının bulunacağı ve insanların ihtiyaç duydukları her şeyi kendilerinin üreteceği bir geleceğin habercisi olarak görülmüştü. Ancak bu beklenti, en azından şimdilik gerçekleşmemiştir. Üç boyutlu yazıcılar, büyük miktarlarda aynı ürünü üretmede geleneksel yöntemlerden genellikle daha yavaş ve daha pahalıdır. Ayrıca üretilen nesnelerin dayanıklılığı ve yüzey kalitesi, her zaman geleneksel yöntemlerle üretilenler kadar iyi değildir.

Bu nedenle uzmanların çoğu, üç boyutlu yazıcıların geleneksel üretim yöntemlerinin yerini almaktan çok, onları tamamlayan bir teknoloji olacağını düşünmektedir. Prototip üretimi, küçük miktarlarda özel parça üretimi ve karmaşık tasarımlar, bu teknolojinin en çok parladığı alanlardır.