Ayant fait le tour de la description des images fractales, nous allons maintenant entrer dans le domaine des dimensions et des mesures car les fractales présentent sur ce point une particularité remarquable qui a surpris et excité les mathématiciens qui les étudiaient. Les fractales ont une dimensionnalité fractionnaire. Pour comprendre cela, il faut juste dire quelques mots sur ce qu'est la dimensionnalité.
Prenons un objet familier, par exemple un morceau de tissu d'une longueur de 1 mètre. Si nous doublons sa longueur, il pèse 2 fois plus et coute 2 fois plus cher. Si nous doublons sa longueur et sa largeur, sa surface va être 4 fois plus grande, il va peser 4 fois plus et couter 4 fois plus cher. 4, c'est-à-dire 2x2 qu'on écrit 2 puissance 2 ou 22 parce qu'il y a 2 dimensions qui sont doublées, la longueur et la largeur. De même, si nous prenons une pièce de maison de 5mx5m, et une autre de 10mx10m, la deuxième a 4 fois plus de surface, donc 4 fois plus de volume à chauffer. Mais si on double également sa hauteur de plafond, c'est un volume 8 fois supérieur qu'il faut chauffer, soit 2x2x2 ou 23 car les volumes ont trois dimensions (en abrégé, à 3D), longueur, largeur et hauteur.
Récapitulons: Une ligne possède une seule dimension. Ici, le mot dimension ne se réfère pas à la taille de l'objet, et l'on dira aussi que sa dimensionnalité est 1. Elle est 2 pour une surface, et elle est 3 pour un volume.
Or, la dimensionnalité des fractales n'est pas un nombre entier tel que 2 ou 3, mais un nombre fractionnaire ou décimal tel que 2,7. Pour calculer la dimensionnalité d'un objet dessiné sur une surface, on multiplie sa taille par n'importe quel nombre simple n et on mesure de combien sa surface a augmenté. Par exemple la dimension d'un disque est 2 parce que si on multiplie le diamètre par n, sa surface augmente de n2. En ce qui concerne la courbe de Koch, nous ajoutons des petits triangles à chaque étape d'itération, ce qui multiplie sa longueur par 4/3, alors que la surface totale bouge peu. Or d'itération en itération, la courbe finit par occuper une part importante de la surface du triangle. Elle est intermédiaire entre une ligne et une surface. Par des définitions mathématiques rigoureuses, on peut calculer que sa dimensionnalité est 1,26, donc entre 1 et 2.
C'est essentiellement au travers de la notion de dimensionnalité que les fractales ont vu le jour. À partir des années 1870, les mathématiciens se penchent vers des objets mathématiques surprenants dont la dimension semble être à mi-chemin entre le point et la droite, tel que l'ensemble appelé la poussière de Cantor. Certains ont reconsidéré la définition habituelle de la dimensionnalité, tels Hausdorff (1919) et Besicovitch (1935).
Ce n'est qu'au milieu du 20e siècle que ces ensembles sont baptisés fractale par le mathématicien Benoît Mandelbrot, un chercheur franco-américain. C'est lui qui a créé le concept en rassemblant des éléments épars et en extrayant leurs caractères communs. Il a également compris l'intérêt de tels objets mathématiques pour décrire les objets ou phénomènes naturels, tels que les côtes découpées de la Bretagne, comme le montre son livre Les objets fractals, qui fait suite à un livre en anglais The fractal geometry of Nature.