三维地震主要在地下条件更复杂的地区或地表难以进行二维地震勘探的地区采用。另外，在较为成熟的探区，为优化勘探开发方案可提出进行三维地震。三维地震与二维地震的主要差别是激发点与接收点的相对位置不同。二维地震要求炮点和检波点沿同一直线；而三维地震则是将多道（必要时可达上千道、上万道）检波器布成十字状、方格状、环状或线束状等，炮点与检波点在同一块面积上，形成面积形状接收由地下返回地面的地震波。其效果可以大大改善记录质量，提高信号的清晰度和分辨率，从而提高解决地质问题的能力，能把矿藏位置确定得更准确。与二维地震勘探相比，三维地震勘探不仅能获得一张张地震剖面图，还能获得一个三维空间上的数据体，根据这个数据体就能给出地层的立体图像（三维立体图）。同时，也可给出由浅至深、一层层的水平切片图，将这些图制成动画，人们就能像看电影一样来解释地下地质情况，既省时、省力，又精确。

三维地震勘探的理论和工作流程与二维地震勘探大体相似，但其工作内容及达到的效果却大不相同。三维地震勘探主要由野外地震数据资料采集、室内地震数据处理、地震资料解释3个步骤组成，这3个步骤既相互独立又相互影响，而且每一步骤均需要最先进的计算机硬件和软件的支撑。①野外地震数据资料采集。包括测量、钻浅井孔埋炸药（在使用炸药震源时）、埋检波器、布置电缆线至仪器车等几道工序。测量的任务是定好测线及爆炸点和接收点的位置。钻井的任务是准备好可埋下炸药的浅井。埋炸药就是向井中放入炸药，以便在爆炸后产生出地震波。地震波遇岩层界面反射回来被检波器接收并传到仪器车，仪器车将检波器传来的信号记录下来，这就获得了用以研究地下矿产埋藏情况的地震记录。②室内地震数据处理。把采集到的地震信息磁带上的大量数据输入专用电子计算机，按不同要求用一系列功能不同的程序进行处理运算，把数据进行归类编排，突出有效的，除去无效和干扰的，最后把经过各种处理的数据进行叠加和偏移，最终得到一份份地震剖面或三维数据体文件。③地震资料解释。把经过处理的地震信息变成地质成果的过程，包括运用波动理论和地质知识，综合地质、钻井、测井等各项资料，做出构造解释、地层解释、岩性和烃类检测解释及综合解释，绘出有关成果图件，对工作区域做出矿产评价，提出钻探井位置等。

三维地震的优越性在于：①三维观测能避开地形、地物障碍，野外观测系统设计方便灵活，适用于地形地物多变的复杂工区。②三维地震勘探地震测网密集（海上一般为12.5米×12.5米×1米/秒，陆地通常为25米×25米×2米/秒），采集地震信息丰富，可以有效压制空间噪声。③提高了剖面的分辨率和信噪比，在侧面反射波比较发育的地区，野外采集的三维地震数据经过三维偏移处理后不存在侧面波引起的地质假象。④三维采集的数据按三维空间成像处理，可以真实地确定反射界面的空间位置，适应并满足日益复杂的勘探目标的需要。⑤灵活多变的数据显示方式（可抽取任意方向、任何时间的连续剖面或切片，实现平面可视化、三维可视化等）有利于地震资料的地质解释。⑥三维地震勘探方法拓宽了地震勘探的应用领域，如开发地震、综合研究、动静态描述与模拟等。