在虚拟现实中，三维立体显示是实现浸入性的必要手段，也是最吸引人的地方。
尽管普通的计算机屏幕也能显示三维物体的透视图，但当我们从屏幕上观看三维景象时，图象固定在屏幕上，不管您怎样移动头部，图象仍固定不动，正如平面照片一样，二维屏幕永远也不能让我们产生身临其境的感觉。在虚拟现实的显示系统中，图象是立体的，而且不再凝固在屏幕上，当观察者移动位置时，可以看到一个变化的场景。立体显示在帮助我们分析和理解三维物体或三维数据的空间特征方面具有无可比拟的优越性，虚拟现实创造了三维数据可视化的全新方式。
在人的立体视觉中，视差是产生立体深度感的基础，当我们用双眼观看同一景物时，由于左右眼的位置不同，使看到的景象不完全一致，略有差异，这种差异称为视差，两幅有视差的图象经过大脑的处理、融合后成为一幅有立体深度感的图象。立体显示系统利用了这一原理，通过向左右眼分别输入两幅带有视差的图象而使观察者获得立体感。由于一幅立体图象是由两幅有视差的图象融合而成，相当于同时看两幅图象，因此它所包含的信息量比一幅普通的平面图象（包括三维透视图）要大得多。
在现实世界中，我们可以看到被光照射的物体，而实际上我们看到的是被照射物体上反射的光。在虚拟现实系统中，计算机生成的虚拟物体代替了现实世界中的真实物体，人的眼睛并不接收来自真实世界的反射光，而是接收由虚拟现实显示设备所产生的替代光线，人的大脑同样能对它进行处理从而造成观察者看见了物体的感觉。
在虚拟现实系统中，只要用数据描述了一个物体的形态、观察者的位置和视角，计算机就能根据光学原理计算出观察者的双眼所能看到的光线，再通过显示设备输入到双眼，从而使眼睛看到了立体图象。在这里，物体不是以“实体”的方式存在，而是以数据模型的方式“虚拟”存在。在虚拟现实系统中，尽管带有视差的图象是根据光学原理计算出来的，但实际上它对应着一个由数据方式描述的真实物体所能产生的图象，从视觉接口（即视网膜成像）上与真实光线一样。现实生活中我们所看到的镜中花、水中月、以及海市蜃楼等景象与此类似，这并不是眼睛欺骗了我们，而是传统的视觉经验和视觉模式误导了我们，造成了错觉，虚拟现实正是利用了这种错觉。理想的虚拟现实系统应该达到使人身临其境、难辨真假的效果，利用多种感觉让人沉浸并投入到这个虚拟的环境中去，并与之交互作用，从而达到解决某种问题的目的。
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