Trimačiai galvosūkiai arba 3D galvosūkiai suteikia keletą naujų įprastinio galvosūkio formato sukimų. Paprastai šie galvosūkiai pateikia daugiamatį dizainą trimis pagrindiniais būdais. Pirma, dėlionė gali veikti kaip 3D filmas, kuriame reikalingi 3D akiniai, kad dėlionės vaizdas taptų gilesnis. Lęšinis 3D galvosūkis įgyja matmenis judant. Kiti galvosūkių kūrėjai perkelia 3D galvosūkius į pažodinį lygmenį, kai visas galvosūkis yra sukonstruotas taip, kad būtų suformuotas kaip tikras objektas.
Galvosūkių sprendimas yra populiari pramoga tiek suaugusiems, tiek vaikams. Ši sudėtinga veikla tradiciškai apima plokščio, paprastai kvadratinio kartono gabalo supjaustymą į skirtingų formų gabalus. Šias detales puošia grafika, o sudėjus dėlionę susidaro išbaigtas vaizdas. Kai dėlionė yra 3D, joje yra vaizdas, kuris atrodo trimatis, arba pats galvosūkis turi matmenis.
Tikri 3D galvosūkiai turi gylį, formą ir matmenis, kurie imituoja kažką tikro. Pavyzdžiui, daugelis gamintojų parduoda galvosūkius, sukurtus kaip garsių pastatų modelius, kurie pastatyti iš esmės yra miniatiūrinės jų tikroviškų atitikmenų versijos. Skirtingai nuo tradicinių galvosūkių, šie galvosūkių tipai dažniausiai kuriami nuo pat pradžių. Pjesės taip pat yra storesnės, tvirtesnės ir kampinės formos nei įprastos dėlionės dalys. Kiti trimačių galvosūkių kopijų pavyzdžiai gali būti galvosūkiai ir galvosūkiai su gyvūnais.
Lęšiniai galvosūkiai ir grafiniai 3D galvosūkiai paprastai turi tradicinę plokščią dėlionės struktūrą, tačiau detalės sukuria 3D vaizdą. Įprasti 3D grafikos galvosūkiai sujungia uždėtus vaizdus taip, kad naudojant specialius 3D žiūrėjimo akinius sukuriama gylio iliuzija. Be to, vaizdai gali būti sukonstruoti taip, kad atrodytų judantys žiūrint iš įvairių kampų. Šio tipo efektas gali atsirasti naudojant lęšinį lęšį, kuris apima vaizdus su nedideliais svyravimais ir sluoksniais spausdinant juos ant popieriaus ar plastikinių medžiagų. Stereoskopiniams vaizdo galvosūkiams reikia tik šiek tiek pakeisti kiekvienos akies žiūrėjimo kampą, kad būtų galima apdoroti skirtingą vaizdą ir suvokti gylį, o transformuojant 3D spausdinimo galvosūkius reikia žymiai pakeisti galvosūkių žiūrėjimo kampus.
Kai kurių tipų problemų sprendimo įrenginiai taip pat gali būti laikomi 3D galvosūkiais. Be dėlionių, galvosūkiu gali būti laikomas bet koks įrenginys, verčiantis vartotoją įveikti iššūkį arba derėtis dėl pasirinkimų, kad būtų pasiektas sprendimas. Tokius rankinius objektus, tokius kaip Rubiko kubas, galima žiūrėti kaip į 3D galvosūkį. Šis konkretus objektas yra kubas su įvairių spalvų raštais, kuriuos vartotojas turi suderinti sukdamasis judesiais.