
Trabalham de forma nativa com objetos vetoriais, geralmente formados por curvas de Bézier, embora permitam a inclusão de imagens de mapa de bits, como fotografias e texturas. Os objetos que formam o desenho podem se ordenar com respeito a outros, podem se agrupar ou se manter independentes.

Entre os programas de desenho vetorial existentes cabe destacar os seguintes:
Adobe Ilustrator:
Corel Draw:
Freehand MX:
Uma das alternativas mais importantes a Ilustrator, com a vantagem adicional de trabalhar perfeitamente com Macromedia Flash.
Assim como ocorre com as aplicações de retoque, os diferentes programas de ilustração oferecem ao usuário um conjunto de ferramentas de desenho similares, entre as que cabe destacar por sua utilidade as seguintes:
Ferramentas de seleção:
Permitem selecionar um ou mais objetos vetoriais. Uma variação são as ferramentas de seleção direta, que permitem selecionar nós específicos de um objeto.
Ferramenta Texto:
Permite criar textos editáveis e escaláveis, que logo podem ser convertidos em traços, embora percam sua qualidade passando a ser vetores.
Ferramentas de desenho geométrico:
Permitem desenhar figuras vetoriais de formas diversas, como quadrados, retângulos, círculos, elipses, estrelas, etc, todas elas de caráter vetorial.
Lápis e pincéis:
Desenham traços lineares simples e complexos, definidos por vetores, que imitam inclusive diferentes motivos pré-definidos ou criados pelo usuário.
Paletas de cor e degrades:
Definem as cores utilizadas em cada objeto, tanto em sua borda como em seu preenchimento, permitindo ademais criar diferentes tipos de degrades e malhas de degrade. Costumam admitir diferentes sistemas de cor (Escala de cinzas, RGB, CMYK, HSB, etc.).
Ferramentas de manejo de objetos:
Permitem agrupar e desagrupar diferentes objetos do desenho, fundi-los, combiná-los, recortá-los, ordená-los, alinhá-los, etc.
Ferramenta transparência:
Oferece a possibilidade de definir o grau de transparência de cada objeto do desenho, que pode oscilar entre um valor 0% (objeto opaco) e 100% (objeto totalmente transparente).
Camadas:
Funcionalidade herdada das aplicações de retoque, as camadas permitem definir diferentes níveis de desenho que se superpõe, similares a papéis transparentes empilhados, de tal forma que o usuário pode colocar objetos em cada um deles, mudar sua posição relativa no empilhamento, mostrá-los ou ocultá-los, bloqueá-lo para que não se possam modificar, agrupá-los, etc.

Os gráficos obtidos com os programas vetoriais de ilustração dificilmente podem ser tão realistas como os mapas de bits (são perfeitos demais, muito geométricos), porém podem se escalar a qualquer tamanho sem perder qualidade, resultando ideais para criação gráfica de ilustrações lineares e estilizadas, esquemas, texto, desenho técnico, logotipos, ícones, etc.

Uma das principais aplicações deste tipo de programas é o desenho de interfaces gráficas de usuário (IGU). No caso de uma interface web, por exemplo, podemos ir construindo cada um dos elementos que a formam (logotipo, sistemas de navegação, ícones, conteúdos textuais, etc.) e posicionando-os no espaço de trabalho de diferentes formas, até encontrar aquela mais equilibrada e funcional.

Uma grande vantagem de desenhar com programas vetoriais de ilustração é que mudanças posteriores de cores, tamanhos e posicionamentos são fáceis de realizar.
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