Kolmiulotteiset palapelit tai 3D-palapelit tuovat muutamia uusia kierroksia perinteiseen palapelimuotoon. Tyypillisesti nämä palapelit esittävät moniulotteisen suunnittelun kolmella ensisijaisella tavalla. Toisaalta palapeli saattaa toimia kuin 3D -elokuva, jossa palapelin kuvan syvyyden lisäämiseksi tarvitaan 3D -lasit. Linssimainen 3D -palapeli saa ulottuvuuden liikkeen avulla. Muut palapelintekijät vievät 3D -palapelit kirjaimellisemmalle tasolle, jolloin koko palapeli on rakennettu siten, että se on muotoiltu todellisen esineen muotoiseksi.
Palapelien ratkaiseminen on suosittu harrastus aikuisille ja lapsille. Näihin haastaviin aktiviteetteihin kuuluu perinteisesti tasaisen, yleensä neliönmuotoisen pahvin leikkaaminen eri muotoisiin paloihin. Grafiikka koristaa näitä palasia, ja kun palapeli kootaan, syntyy täydellinen kuva. Kun palapeli on kolmiulotteinen, siinä on joko kolmiulotteinen kuva tai palapelissä itsessään on ulottuvuus.
Todellisissa 3D -arvoituksissa on syvyys, muoto ja ulottuvuus, jotka simuloivat jotain todellista. Esimerkiksi monet valmistajat markkinoivat arvoituksia, jotka on suunniteltu kuuluisien rakennusten malleiksi, jotka rakennettaessa ovat olennaisesti pienoisversioita tosielämän kollegoistaan. Toisin kuin perinteinen palapeli, nämä palapelityypit on yleensä rakennettu alusta lähtien. Kappaleet ovat myös paksumpia, tukevampia ja kulmikkaampia kuin tavalliset palapelin palaset. Muita esimerkkejä kolmiulotteisten palapelien kopioista voivat olla maapallo- ja eläinpalapelit.
Lentikulaariset palapelit ja grafiikka -3D -palapelit sisältävät tyypillisesti perinteisen tasaisen palapelirakenteen, mutta palaset luovat 3D -kuvan. Säännölliset 3D -grafiikkapalapelit yhdistävät päällekkäiset kuvat yhteen tavalla, joka luo syvyyden illuusion, kun käytetään erityisiä 3D -katselulaseja. Lisäksi kuvat voidaan rakentaa siten, että ne näyttävät liikkuvan eri kulmista katsottuna. Tämäntyyppinen vaikutus voi johtua linssimäisen linssin käytöstä, johon kuuluu kuvien ottaminen pienillä vaihteluilla ja tulostaminen kerroksittain paperille tai muovimateriaaleille. Stereoskooppiset kuvatehtävät vaativat vain pienen muutoksen kulmakatselussa, jotta jokainen silmä voi käsitellä eri kuvan ja havaita syvyyden, kun taas 3D -tulostuspalapelien muuttaminen edellyttää merkittävää muutosta palapelin katselukulmissa.
Joitakin ongelmanratkaisulaitteita voidaan pitää myös 3D-arvoituksina. Palapelien lisäksi palapelinä voidaan pitää mitä tahansa laitetta, joka pakottaa käyttäjän navigoimaan haasteessa tai neuvottelemaan joukosta vaihtoehtoja ratkaisun löytämiseksi. Sellaisena kädessä pidettäviä esineitä, kuten Rubikin kuutio, voitaisiin pitää 3D-palapelinä. Tämä kohde on kuutio, jossa on erilaisia värikuvioita, jotka käyttäjän on sovitettava kiertävillä liikkeillä.