Kolmemõõtmeline (3D) hiir on traditsioonilise kahemõõtmelise (2D) hiire variant, mis on loodud võimaldama kasutajal kursorit rakenduses kolmemõõtmeliselt liigutada. 3D-hiire tegelik disain võib tootjati erineda, mõned mudelid pole muud kui 2D-hiir, millel on seadmele paigutatud lisanupud nii, et vajutamisel vahetab hiir, millist telge see juhib. Teist tüüpi 3D-hiirt kasutatakse, hoides seadet õhus ning liigutades ja pöörates seda nii, nagu oleks see kasutatavas rakenduses 3D-mudel või kaamera. Üks probleeme, millega 3D-hiire kasutamisel kokku puutuda võib, on eraldusvõime probleem, kus hiire liigutused rakenduses kursori suhtes ei ole hästi koordineeritud, mistõttu on selle kontrollimine raskendatud. Enamikul juhtudel kasutatakse 3D-hiirt 3D-objektide kujundamiseks ja manipuleerimiseks modelleerimis-, inseneri- või teadusliku visualiseerimise programmis.
Probleem, mille lahendamiseks 3D-hiir on mõeldud, on virtuaalses 3D-keskkonnas manööverdamise probleem. Traditsiooniliselt tehakse seda klahvivajutuste ja tavalise hiire liigutuste kombinatsiooni abil. See võib osutuda problemaatiliseks ja aeglaseks ning mõnikord nõuab disainer pidevalt mudeli vaadet pööramist, et pääseda juurde teatud nägudele või hoida tõhusaks tööks mitu eraldi akent korraga lahti.
3D-hiir võib töötada mitmel viisil, kuid kõige levinumad on kaks meetodit. Esimene on see, et mis tahes mehhanism, mida hiir vaba liikumise tagamiseks kasutab, aktiveerib kasutatavas 2D-programmis rea klaviatuuri ja 3D-hiire makrosid. Sel juhul on hiir mugav viis tavaliste pööramiste, valikute ja muude liigutuste käivitamiseks, ilma et oleks vaja mitut klahvivajutust või erinevaid samme. Selle eeliseks on see, et see töötab hästi peaaegu kõigi olemasolevate programmidega, kuna see lihtsalt käivitab olemasolevad funktsioonid.
Teine meetod, mida saab kasutada, on siduda 3D-hiire eriliigutused ja -funktsioonid otse 3D-rakendusega, nii et objektiga manipuleerimine on ainulaadne võrreldes klaviatuuri ja 2D-hiire kasutamisega. See võib oluliselt suurendada 3D-rakenduse kasutamise tõhusust. Üks puudus on see, et rakendus peab toetama täiustatud pistikprogramme või muul viisil hiire liikumise programmi integreerimiseks.
Tegelikus disainis võib 3D-hiir kuvada platvormil kõrgendatud kerana, silindrilise sihverplaadina, mitme nupuga tavalise hiirena või isegi mehaanilise käe külge kinnitatud pliiatsina. Hiired, keda hoitakse ja liigutatakse läbi õhu, võivad näida võlukepi või kumera bumerangitaolise kujuga, millel on nupud. Üks ainulaadne disain asetab suurema osa hiire vooluringidest ühel käel kantavale rõngale, mille peopesal on väike ligipääsetavate nuppude pank, mis võimaldab kasutajal esemeid käeliigutustega manipuleerida.