在操作上，3D打印机与普通打印机打印一份文件并无二致:点击电脑屏幕上的打印按钮，数字文档就会被输送到喷墨打印机那里，打印机在一张纸的表面留下一层油墨，从而创造出一个二维图像。然而，在3D打印机的打印过程中，通过一台计算机的辅助设计，3D打印软件把图像分解为一系列数字切片，并把描述这些数字切片的信息输送到3D打印机中，打印机便连续不断地增加薄层，直到一个坚固的物体出现为止。两种打印机最大的区别是，3D打印机所使用的“墨水”是一种材料。

　　薄层结合的方式多种多样。部分3D打印机使用喷墨打印机的工作原理进行打印。Objet公司是以色列的一家3D打印机生产企业，其生产的打印机是利用喷墨头在一个托盘上喷出超薄的液体塑料层，并经过紫外线照射而凝固。此时，托盘略微降低，在原有薄层的基础上添加新的薄层。另一种方式是熔融沉淀成型。总部位于明尼阿波利斯的Stratasys公司应用的就是这种方法，具体过程是，在一个（打印）机头里面将塑料融化，然后喷出丝状材料，从而构成一层层薄层。

　　其他的一些方法是利用粉剂作为打印材料。这些粉剂在托盘上被分布成一层薄层，然后通过喷出的液体粘结剂而凝固。在一个被称为激光烧结的处理程序中，通过激光的作用，这些粉剂可以熔融成想要的样式，德国的EOS公司把这一技术应用于他们的添加剂制造机之中。瑞典的Arcam公司通过真空中的电子束将打印机中的粉末熔融在一起，用于3D打印。以上仅仅是众多方法中的少数几种而已。

　　为了制作一些内部空间和出挑结构的复杂构件，凝胶以及其他材料被用来做支撑，或者空间预留出来，用没有熔融的粉末以填满，填充材料随后可以被冲洗掉或被吹掉。现在，能够用于3D打印的材料范围非常广泛，塑料、金属、陶瓷以及橡胶等材料都可用于打印。有些机器可以把各种材料结合在一起，构成的物体既坚硬，又富有弹性。

　　包括一些研究人员开始使用3D打印机去复制一些简单的生命体组织，例如皮肤、肌肉以及血管等。有可能，大的人体组织如肾脏、肝脏甚至心脏，在将来的某一天也可以进行打印――如果生物打印机能够使用病人自己的干细胞进行打印的话，那么在进行器官移植后，其身体就不可能对打印出来的器官产生排斥。

　　食物也可以被打印。康奈尔大学的研究人员已经成功打印出了蛋糕。几乎每个人都同意，这个制造食品的终极武器将会打印出巧克力来。