無論將地球視為球體還是旋轉橢球體，都必須變換其三維曲面以創建平面地圖圖幅。此數學變換通常稱作地圖投影。理解地圖投影如何改變空間屬性的一種簡便方法就是觀察光穿過地球投射到表面（稱為投影曲面）上。想像一下，地球表面是透明的，其上繪有經緯網。用一張紙包裹地球。位於地心處的光會將經緯網投影到一張紙上。現在，可以展開這張紙並將其鋪平。紙張上的經緯網形狀與地球上的形狀不同。地圖投影使經緯網發生了變形。
展平旋轉橢球體並不比展平橙皮容易，因為它會破裂。用兩種尺寸表示地球表面會導致數據的形狀、面積、距離或方向發生變形。
地圖投影使用數學公式將地球上的球面坐標與平面坐標關聯起來。
不同投影會引起不同類型的變形。有些投影旨在最大限度地降低一種或兩種數據特性的變形。投影可保持要素麵積不變，但會改變其形狀。在下圖中，極點附近的數據已被拉伸。
下圖顯示了如何壓縮三維要素以擬合到平面上。
地圖投影具有特定用途。一種地圖投影可能用於限定區域中的大比例尺數據，而另一種地圖投影則用於小比例尺的世界地圖。針對小比例尺數據的地圖投影通常基於球體地理坐標系而不是橢球體地理坐標系。
等角投影
等角投影保留局部形狀。要保留描述空間關係的各個角，等角投影必須在地圖上顯示以 90 度角相交的垂直經緯網線。地圖投影通過保持所有角不變來加以實現。缺點是由一些弧線圍起來的區域將在此過程中發生巨大變形。地圖投影無法保留較大區域的形狀。
等積投影
等積投影保留所顯示要素的面積。為此，形狀、角和比例等其他屬性將發生變形。在等積投影中，經線和緯線可能不垂直相交。有些情況下，尤其是較小區域的地圖，形狀不會明顯變形，且很難區分等積投影和等角投影，除非加以說明或進行測量。
等距投影
等距地圖保留某些點間的距離。任何投影都無法在整幅地圖中正確保持比例不變。不過，多數情況下，地圖上總會存在一條或多條這樣的線：比例沿著這些線將正確地保持不變。多數等距投影都具有一條或多條這樣的線：在此類線中，地圖上線的長度（按地圖比例尺計算）與地球上同一條線的長度相同，無論它是大圓還是小圓，是直線還是曲線。此類距離被視為真實距離。例如，在正弦投影中，赤道和所有緯線就是其真實長度。在其他等距投影中，赤道和所有經線具有真實長度。而其他投影（例如，兩點等距離）仍會顯示地圖上一點或兩點與相隔點間的真實比例。請記住，任何投影都不能實現地圖上的所有點是等距離的。
真方向投影
曲面（例如，地球）上兩點間的最短路徑是沿平面上直線的球面等價線。即，兩點所在的大圓。真方向（或方位）投影維持某些大圓圓弧不變，從而能夠相對於中心正確地給出地圖上所有點的方向或方位角。某些真方向投影也是等角、等積或等距投影。
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