Il sistema matematico geometrico per mezzo del quale la superficie della Terra viene trasferita sulla superficie piana di una carta si chiama proiezione.
L'astronomo e geografo alessandrino Tolomeo, nel trattato geografico da lui composto nel 150 d.C., illustrò due tipi di proiezione. Quando la sua "Geographia" fu conosciuta in Europa nel 400, e i navigatori cominciarono a percorrere gli oceani, i cartografi introdussero altre proiezioni, più consone all'accresciuta conoscenza del mondo.
Il geografo fiammingo Gerardo Mercatore inventò la proiezione che da lui prende il nome e la applicò alla sua carta del mondo del 1569. Questa proiezione cilindrica isogona fu di grande ausilio ai navigatori, ed è ancora fra le proiezioni più usate.
Un altro progresso fu compiuto dall'alsaziano Johann Heinrich Lambert, inventore di alcune proiezioni tra cui l'azimutale equivalente, che mantiene l'equivalenza delle aree, e la conica conforme, che non altera gli angoli ed in cui pertanto i meridiani e paralleli disegnati sulla carta tagliano ad angolo retto come sul globo.
Poichè ogni proiezioni comporta una deformazione della geometria del globo, il cartografo deve scegliere quella piùadeguata agli usi a cui la carta è destinata. Proiezioni "isogone" o "conformi", in cui sono conservati i valori angolari e quindi le forme degli oggetti geografici, sono molto usate nella preparazione delle carte topografiche.
Le proiezioni "equivalenti", che mantengono costante il rapporto delle aree corrispondenti, sono particolarmente utili per carte che illustrino fenomeni economici, storici, politici e per rappresentare vaste aree geografiche.
Un altra caratteristica fondamentale di una carta è la scala, definibile come il rapporto tra la lunghezza misurata sulla carta e la corrispondente lunghezza reale su terreno.
Mentre babilonesi, egizi, greci e romani disegnavano carte topografiche in scala, i cartografi medioevali si servivano di metodi assai approssimativi. La più antica carta locale in scala che si conosca dopo l'epoca romana è una pianta di Vienna del 1422.
La proiezione con il suo caratteristico reticolato di meridiani e paralleli in una certa scala costituisce il sistema di riferimento di una carta. Il linguaggio delle carte che esprime concetti e contenuti è assai complesso e per rappresentare la superficie della Terra il cartografo deve scegliere di generalizzare usando come codici simboli detti convenzionali
