Die Oberflächengeometrie eines Gegenstandes wird beim 3D-Laser-Scan Verfahren mithilfe der Pulslaufzeit durch die Triangulation von Laserstrahlen oder durch Phasendifferenz im Vergleich zu einer Referenz digital erfasst. Eine diskrete Menge von dreidimensionalen Abtastpunkten ist das Ergebnis. Dieses wird auch als Punktwolke betitelt. Aus der Entfernung und den Winkeln in Bezug zum Ursprung (Gerätestandort) werden die Koordinaten der gemessenen Punkte errechnet.
Einzelmaße wie beispielsweise Winkel und Längen können anhand der Punktwolke ermittelt werden. Auch Dreiecke kann man aus der geschlossenen Oberfläche der Wolke konstruieren. Dies wird als Meshing oder Vermaschung bezeichnet und beispielsweise zur Visualisierung in der 3D-Computergrafik verwendet. Unter dem Begriff Body Scanning ist auch das Scannen menschlicher Körperteile beziehungsweise des menschlichen Körpers populär geworden.
Auch in der Architekturvermessung (Schwerpunkte Denkmalpflege und Bauforschung) wird der Einsatz eines 3D-Laser-Scan immer wichtiger. So kann man beschädigte und verformte Bauwerke, die räumlich komplizierte Strukturen aufweisen, grob und schnell erfassen. Der 3D-Laser-Scan wird allerdings umso unvollständiger, je komplexer sich die Gebäudestruktur darstellt, da dies für mehr Schatten beim 3D-Laser-Scan sorgt.
Die Ergebnisse eines 3D-Laser-Scan sind praktisch nicht auswertbar, wenn es sich um möblierte Gebäude handelt, was in der Denkmalpflege der Standardfall ist. Der Anlagen- und Rohrleitungsbau, die Unfallforschung und Forensik, der Tunnelbau, die Qualitätssicherung und das Re-Engineering sowie der Denkmalschutz sind weitere Anwendungsgebiete des 3D-Laser-Scan.