При каждом добавлении нового графического объекта мой 3D движок начинает все медленнее работать.
Как эта проблема решается в играх, граф. пакетах, ведь там загружаются целые города, куча персонажей?

Мои мысли по поводу движка GTA.

Постоянная прорисовка только у неба.
Ближние дома - качество (количество полигонов) максимальное. Чем дальше - тем меньше качество.
Сам поди видел как выглядят машины из далека и как с близкого расстояния, а есть определенный предел за которым машины исчезают.

И еще, в Direct3D есть оптимизация прорисовки статических объектов, таких как здания.

Если я не прав, поправте.

Это обширный вопрос. Методы решения зависят от твоего мира, например, закрытые или открытые пространства у тебя ? Всё что можно просчитать заранее - просчитывается заранее (тени от неподвижных объектов, к примеру)...
Если закрытые пространства, то вся карта разбивается на комнаты, используются порталы, как сказал dvamaster - юзаются уровни детализации. Вообще, это основная головная боль движка - оптимизация, заключающаяся в выводе на экран только того, что видишь (это идеальный случай, недостижимый, степень крутости оптимизации - насколько ты приблизился к этому). Также есть технические способы ускорения - к примеру, использование compiled vertex array.
Советую заглянуть и на специализированные по 3d-графике форумы...