在三坐标测量机出现以前，测量空间三维尺寸的原始使用测高仪、测量仪等在平板上进行测量，还采用了特殊的量规、心轴、检棒等测量孔的同轴度和相互位置精度。此法劳动强度大，效率低，精度不易保证。特种测试仪制造成本高，使用麻烦，即使是熟练的测量员也很难得到稳定准确的测量结果。二是采用坐标镗床测量，在镗床上使用其三坐标机构，在轴(镗头)上装上测微仪(指示表或传感器)，对工件进行三维测量。这种传统的测量方法费时费力，而且难以达到精度要求。

此外，为了测量复杂的外形和形状，通常设计专门的测量设备或专用仪器。该方法的原理是从理论上对所需的复杂运动(如发动机气缸体内需要形成次摆线运动，齿轮需要形成渐开线运动)，然后装上测微仪与实际工件的轮廓进行比较测量，描绘出实际轮廓曲线。如果机构不精确，则这种测量装置适用范围广、成本高。虽然这类专用仪器还在开发之中，但由于通用性较差，不适合作为一般的三维测量工具。

三坐标测量机是基于坐标测量原理的。同其他事物一样，坐标测量的发展也是由简单到复杂逐渐形成的。使用较早的测长机，可以在一个坐标方向上测量工件的长度，即为单坐标测量机，只完成一维测量。随后出现的万能工具显微镜具有 X和 Y两个坐标方向移动的工作台，可以测量平面上各点的坐标位置，即为二维测量，也可以称为二坐标测量机。而且三维测量需要有 X、 Y、 Z方向的运动导轨，可以在空间范围内测量各点的坐标位置。这样，在理论上，三维测量可以对空间中任意位置的点、线、面和位置进行测量。

立体测量的原理是：将被测物体置于三坐标测量机的空间中，可以得到被测物体上各测点的坐标位置，并根据这些点的空间坐标值，进行数学运算，得到被测物体的几何尺寸、形状和位置。

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