La vision stéréoscopique est due, en grande partie, aux neurones binoculaires situés dans le cortex cérébral au niveau des zones spécifiques et primaires du traitement de la vision (Aire V1). Ces neurones binoculaires sont les seuls neurones à recevoir l'influx nerveux de deux neurones homonymes de la rétine via la chaîne neuronale. Les images gauche et droite du même objet, captées en même temps par les deux rétines, sont acheminées au cortex visuel par les nerfs optiques qui se croisent dans le chiasma optique, ce qui fait qu'elles sont présentes dans des cellules voisines du cortex visuel. David Hubel, prix Nobel de physiologie ou médecine, fait aussi remarquer que les cellules des parties gauche et droite du cortex visuel communiquent aussi par le corps calleux, ce qui contribue au mécanisme de la fusion binoculaire.
Cette double information permet par des mécanismes complexes faisant intervenir d'autres zones du cerveau la perception de l'angle entre l'information visuelle captée par des photorécepteurs d'un œil et ses homologues de l'autre œil permettant de percevoir les reliefs et la distance. De ce fait, les personnes souffrant de strabisme (mauvaise adaptation des zones de photorécepteurs rétiniens homologues) ou les personnes souffrant d'anopsie sur un œil ont une vision très altérée du relief et de la profondeur. La vision stéréoscopique est normalement très précise (couramment est apprécié un écart en profondeur de dix centimètres à une distance de dix mètres), de précision inversement proportionnelle à la distance, et limitée en amplitude : on voit difficilement en relief à la fois un objet très rapproché et un objet très éloigné. La vision stéréoscopique est troublée, sinon empêchée, par divers défauts des images: décalages verticaux, contradictions du relief, excès de parallaxe horizontale, présence de parallaxe verticale, « images fantômes » ou vision atténuée de la vue droite par l'œil gauche et réciproquement, dissymétrie de la luminosité,