Trodimenzionalni ultrazvuk se razvija od sredine pedesetih godina prošloga stoljeća uporabom raznih inovacija u slikovnom prikazu. U ispitivanju ekstrakranijske cirkulacije rabi se prvenstveno trodimenzionalni ultrazvuk karotidnih arterija koje su lako dostupne pregledu zbog obilježja njihovog smještaja. U procjeni intrakranijske cirkulacije trodimenzionalnost je moguće samo djelomice postići, jer zbog veličine koštanoga prozora opseg pokreta sondom u svih 360° nije moguće napraviti. Trodimenzionalni ultrazvuk dopušta veću prostornu rezoluciju od konvencionalnog, dvodimenzionalnog ultrazvuka. U usporedbi s magnetnom rezonancijom trodimenzionalni ultrazvuk omogućuje transaksijalnu rezoluciju od 5 mm, longitudinalnu rezoluciju do 10 mm i rotacijsku rezoluciju do 40º. Ostale prednosti su neinvazivnost, volumetrijska analiza tkiva umjesto planimetrijske, relativno niska cijena uz veliku točnost reprodukcije, te visoka osjetljivost i specifičnost (r=0,982). Glavni nedostaci trodimenzionalnog ultrazvuka su nemogućnost jasnog razlikovanja periarterijskog i intraarterijskog tkiva, što uzrokuje probleme u segmentaciji tkiva, trošak nabave ultrazvučnog uređaja koji je nešto veći od troška nabave konvencionalnog uređaja, a uz to je potreban i vrsni operater. Pomaci tkiva također uzrokuju brojne artefakte, no uporabom mehaničke ruke i EKG sinhronizacije moguće je umanjiti navedene poteškoće. Trodimenzionalni ultrazvuk najbolje je rabiti kao dopunsku metodu pregleda uz konvencionalni ultrazvuk koji dopušta nužnu hemodinamsku procjenu. Uz trodimenzionalni ultrazvuk razvija se i četverodimenzionalni ultrazvuk koji omogućava prikaz pomaka tkiva u stvarnom vremenu, čime su dostupne informacije o nestabilnosti aterosklerotskog plaka.