内部的にデータが2次元(x,y)で表現されているものを2次元CAD(2D CAD)と呼び、表示上では、立体を正面図・側面図・平面図等の平面図形として表示・操作する。内部的にデータを3次元(x,y,z)で表現するものを3次元CAD(3D CAD)と呼び、ディスプレイモニターなどの表示デバイスで陰影などを付け、3次元的に表示・操作する。内部的には2次元プラス高さ情報で表現されて、表示上3次元CADに似た表示をするものを2.5D（または2+1/2次元）と呼ぶ場合がある。
一般的な2次元グラフィックソフトウェアのデータを大別すると，主に線分要素で表示するベクトルデータ（ベクタ形式）と、ビットマップ画像で表示するラスタ形式とに分けることができる。作図ソフトとしての2次元CADでは、ごく簡易なものを除いてベクトルデータによる。ベクトルデータは、2次元では始点から終点を示す(x1, y1) (x2, y2)、3次元では(x1, y1, z1) (x2, y2, z2)のような座標値で線分要素を表現する。
2次元CADが機械製図図面の電子化の位置づけであるのに対して、3次元CADでは3次元形状をデータモデルとして正しく表現することが要求される。すなわち対象の頂点や辺、面などの連節を位相構造として表現すること、辺や面に対応する幾何要素の形状が数学的に厳密に定義されていること、その上で立体同士の和、差、積などの集合演算を実施できること、などである。このような３次元CADのデータ構造は境界表現B-reps(Boundary representation)と呼ばれる。
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また集合演算のツリー構造を直接的に表現するCSG(Constructive Solid Geometry)と呼ばれるデータ構造もある。CSGでは、面を境界として片方にのみ立体が存在していることを定義する半空間を最小の要素として捉え、その集合論的組み合わせで形状単位プリミティブを構成して集合演算を行う。また多数の多角形ポリゴンの集合として簡便に表現する方式もある。
3次元CADは、業務で用いる対象と取り扱える形状要素のタイプと価格帯により、ハイエンド、ミッドレンジ などに種類分けされる。ハイエンドCADでは、自動車・航空機他、強い意匠性が求められる民生品の設計に用いられ、特に自動車の車体・部品はDassault Systems社のCATIA、PTC社のPro/ENGINEER、UGS社のNXの3製品でシェアを独占している。ミッドレンジCADでは、家電製品・一般OA製品などの分野で、量産前の試作回数を減らす目的での普及がめざましく、SolidWorks社のSolidWorks、オートデスク社のInventorがシェアの大部分を確保している。また、一方で工作機械・生産設備、専用機など意匠性よりも性能・精度・開発期間が重要視される分野でのミッドレンジCADも普及期に入りつつあり、富士通(子会社のデジタルプロセス社)製のICAD/SXが国産のミッドレンジ3次元CADとして有名である。
ボーイング777は、史上初めて機体の全設計を3次元機械系CADによって行なったことでも知られている。