Un moteur 3D est un composant logiciel qui crée des images matricielles à partir de coordonnées tridimensionnelles. C'est un composant fréquent des moteurs de jeu et de logiciels de calcul et de simulation (par exemple logiciels de dessin assisté par ordinateur, conception assistée par ordinateur, éléments finis…).
La plupart du temps, le moteur 3D est indissociable du reste du moteur de jeu, comme le moteur physique ou le moteur de son par exemple. Néanmoins certains moteurs 3D fonctionnent tout seuls, ils fournissent alors un ensemble de fonctions permettant à leur utilisateur de l'intégrer aux autres moteurs.
L'opération d'affichage est appelée le « rendu ».