TELEMAC-3D permet une modélisation tridimensionnelle en s’appuyant sur les équations de Navier-Stokes (avec ou sans pression non-hydrostatique) adaptées aux écoulements à surface libre. Le maillage 3D est constitué d'un maillage bidimensionnel non structuré, développé verticalement en une série de plans entre le lit et la surface.
À l’instar de TELEMAC-2D, il intègre plusieurs modèles de turbulence et prend en compte une large gamme de phénomènes physiques et de forçages externes. Ce module est également capable de simuler l’advection-diffusion de quantités physiques telles que la température, la salinité ou la concentration de substances chimiques, y compris dans le cas où elles influent sur la densité du fluide.