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Tobler于1969年提出了描述地理现象空间相互作用的地理学第一定律， 指出“任何事物都是空间相关的，距离近的事物的空间相关性大”。 这一定律使得地理现象的空间相关性和异质性特征在研究中得到高度重视。 对于空间相关性的研究，即空间分析是对数据的空间信息、 属性信息或者两者共同的信息的统计描述或说明， 其本质是要探测空间数据中存在的模式、 研究空间数据之间的关系并建立相应的空间数据模型， 提升对这些观察过程的理解层次， 并在此基础上增强发生地理空间事件的预测能力和控制能力。
空间分析的根本目标是建立一种有效的空间数据模型来表达地理实体的时空特性， 发展面向应用的时空分析模拟方法， 以数字方式描述地理实体和地理现象的空间分布关系， 从而反映地理实体的内在规律和变化趋势， 它是GIS区别于一般信息系统的主要方面， 也是评价一个GIS成功与否的主要指标。对于三维GIS而言， 具备三维条件下的空间分析功能是其能够逐渐取代二维GIS最有力的优势， 否则花费巨资建设的三维GIS只能做一个可视化工具，会显得毫无意义。 相比而言，现有的三维GIS分析功能确实比二维GIS空间分析功能弱得多。 常用的三维空间分析功能包括面向三维几何对象的几何分析， 如体积分析、表面积分析、叠置分析、缓冲区分析等； 面向三维空间的统计分析，如空间回归分析、空间相关分析、 空间聚类分析、空间通视分析等；面向特定领域的应用模型分析， 如地下管线分析、地质分析、日照分析、水流路径分析、 淹没分析、景观分析、天际线分析、空间影响域分析等。
三维空间分析大致可以分为两种：一是建立在三维城市建筑物上的空间分析， 这类建筑物主要使用体素构造建模法、边界表示法建模和表示（均为体模型）， 主要用于分析城市的空间形态和景观设施， 这是目前各个城市级三维GIS软件重点追逐的内容。 CSG建模法将一个物体表示为一系列简单的基本物体布尔操作的结果， 数据结构为树状结构，其方法简洁，生成速度快，无冗余信息， 而且能够详细地记录构成实体的原始特征参数。 边界表示法将一个物体表达为它的有限数量的边界表面的集合， 表面可能是平面，也可能是曲面，每个表面又可用它边界的边及顶点加以表示。 第二种是建立在三维地形数据上的各种传统的三维空间分析， 它们基于数字地面模型或DEM的体模型、面模型或混合模型之上进行。
体模型可以分为三维栅格结构、八叉树结构、 结构实体几何模型和四面体格网模型等几种。 体模型的特点是以微小的空间体元作为基础单位， 以体元的三维行、列和深度序号表示地理实体的空间位置， 最常用的体元是正方体，但也存在不规则四面体体元格网表示空间目标。 面模型使用一组大小相同的格网描述地形结构，其优点是高程的细节变化丰富、 拓扑关系简单、算法容易实现，但占用的存储空间较大、 数据冗余较多、地面特征与数据表示存在不协调等。 面模型主要包括Grid模型、不规则三角网模型等。
对于三维分析而言，由于多了高程值， 使得空间分析与计算比二维对象复杂得多。 例如我们可以通过TIN或Grid模型计算空间距离（非欧式距离）、 三维状态下的表面积、土堆的体积、面的表面曲率、坡度与坡向等， 这些已经在非GIS——许多三维土木分析软件中得到了较为成熟的应用。 而三维分析的另一些应用，实际上是建立在对栅格数据(如Grid) 所做的地图代数计算之上的，如水流分析、水流累积网格分析等。
尽管在过去几十年，三维GIS的空间分析能力得到了较大的提升， 由于三维空间现象的复杂性和不确定性， 目前三维GIS研究与发展的重点仍是真三维数据的表达与显示， 其分析功能还较薄弱。一方面，许多地形三维分析功能早已成熟， 或已在专业交通土木工程类软件中使用得非常普遍；另一方面， 许多城市三维系统的建筑物模型替换、对比、 日照分析等功能还显得非常稚嫩或实用意义不大， 很多三维分析的本质仍然是二维分析结果的三维化展示， 这些都需要三维GIS的研究人员投人更多的精力和思路， 以探索出一条可见可用的三维GIS实用化之路。