唐代不論是司法機關還是訴訟制度，都比以前更為完備了。
唐代的司法機關，在中央設立了大理寺、刑部和御史台三位一體的司法系統，簡稱“三司”。
大理寺是最高審判機關，其長官叫大理寺卿，副職叫少卿，屬吏有大理正、大理丞等，負責審理中央百官和京都徒罪以上案件，複審地方上報的死罪疑案，對徒罪、流罪案件的判決必須送刑部复核，對死罪案件的判決要直接奏請皇帝批准。
刑部是中央司法行政機關，其長官稱尚書，副職稱侍郎，屬吏有郎中、員外郎等，負責复核大理寺報來的流罪以下及州(府)縣徒罪以上案件。在復核中，如有疑案、錯案，對徒流以下案件可駁令原審機關重審，或者自行複判；對死罪案件可轉交大理寺重審，上奏皇帝批准。
御史台是中央監察機關，掌有司法監督權，其長官稱御史大夫，副職為御史中丞，屬下有若干御史，負責監督大理寺和刑部的司法審判活動，遇有重大疑案也參與審判，並受理行政訴訟案件。
三司都遵照皇帝命令，統掌法制政令。它們都有審判職能。凡遇到特別重大案件，由大理寺卿會同刑部尚書和御史大夫共同審理，這叫“三司推事”。 “三司”之間互相配合，又互相監督，這種制度加強了皇帝對中央司法機關的控制，比秦漢以來的司法制度更加嚴密和完備。這種聯合審判的製度，是後世“三法司”的前身。
唐代出現了一些執法不阿的司法官吏。史書記載，唐太宗時的大理少卿戴冑，高宗時的大理丞狄仁傑，武后時的司刑丞徐有功，玄宗時大理寺卿李朝隱等，都敢於向皇帝直諫，糾正皇帝不依法斷罪的錯誤。
在唐代，由監察機關和各級官吏代表國家糾舉犯罪的，稱為“舉劾”，類似近代的公訴。上司對下屬犯罪不舉劾的，要治罪。唐律規定，對一些重大犯罪，人人有告發的責任，家屬也不例外。知情者不告發，也要治罪。舉劾和告發都是起訴的形式。
起訴的另一種形式是告訴，類似近代的自訴。唐律對平民告訴有種種限制。例如，除謀反、謀叛、謀大逆等重大犯罪外，對其他一般犯罪，卑幼和卑賤不得控告其尊長，奴婢不得控告主人，如有告者要處重刑。在押犯人，年齡80歲以上、10歲以下的人，篤疾者(患不治之症)，一般無告訴權，對無告訴權的人告訴的案件，司法官不得受理。如若受理，司法官要處罰。
唐代司法在審級管轄上基本沿襲漢代的三級審制：縣為第一級，受理處杖刑以下案件，州為第二級，受理上訴案件，刑部受理徒刑以上案件。在地區管轄上，凡在百里之內發生的案件涉及兩個或兩個以上同級司法機關的，原則上輕罪從重罪；兩縣囚犯罪名相等，移後從先，即交先受理的司法機關審理。百里以外的案件，由事發處審理。
唐代建立了審訊迴避制度。凡司法官與當事人有親屬關係、師生關係，有過恩仇，曾經在本地區任過刺史、縣令的人，都必須迴避。
唐代的審訊要求“依狀鞫獄”，即依訴狀所寫的事項進行審訊，不得追究訴狀以外的事項，否則“以故入人罪論”。但是有人檢舉或發現另有其他罪的，不在此限。
唐代的審訊以眾證定罪，口供是判決的主要證據，所謂“罪從供定”。唐代的證人證言制度，對證人出庭作證作了嚴格規定，凡80歲以上、10歲以下以及患有不治之症的篤疾者，缺乏作證能力，不得作證。唐律強調“親親相隱”的禮教原則，凡是犯人親屬不得要他們作證。唐代實行“眾證定罪”原則，要三人以上證人作證才能定罪，所謂“三人證實，二人證虛”。為了取得口供和證言，唐律允許對被告和證人使用刑訊手段。秦漢以來，封建國家一直確認刑訊制度的合法性。唐朝則進一步將刑訊制度化了。唐律規定刑訊以前，司法官必須立下文書，並要得到現任長官的同意。拷訊每隔20日進行一次，拷打三次為止，總共不得超過200杖；在此限內拷訊致死的，不追究責任。這種限制在一定時期一定程度上具有約束力，但隨著封建法制的破壞，無論是否有罪，都反複動用酷刑。對享有議請減免等特權的貴族官僚，年70歲以上、15歲以下及殘疾者、孕婦，不得進行拷訊。違反上述規定的司法官要受到刑事處罰。
實際上，上述法律限制很少有約束力，唐代的拷打刑訊的運用是很普遍的。史書記載“請君入甕”的故事：武則天統治時期，任用周興、來俊臣等人主管司法審判工作。他們編著《告密羅織經》，專門訓練特務，傳授誣告陷害的經驗。他們經常使用慘無人道的刑訊手段，枉殺正直的大臣和無辜的群眾，據說慘死在周興手下的就有幾千人。武后天授二年(公元691年)，有人告發周興和丘神績共同謀反，武則天下令秘密逮捕周興，並由來俊臣負責審訊。來俊臣深知周興是個搞刑訊逼供的老手，要他如實招供決非易事。於是，來俊臣趁周興尚不知道事情的真相之前，請他飲酒，以請教的口吻對周興說：“罪犯個個狡猾無比，用種種刑具都不肯招供，不知周兄審訊罪犯有何新招？”周興洋洋得意地吹噓說：“我一向有個奇妙的方法，就是用一隻大甕，四面架起炭火，燒得滾燙，然後把囚犯放進去，你看他招不招。”這時，來俊臣奸笑一聲，立即叫人搬來一隻大甕，燒得通紅，厲聲喝道：“周興，你圖謀造反，已被揭發，我奉密詔懲辦你，現在就請君入甕！”周興一聽嚇得癱倒在地，認罪服法。這是酷吏周興濫施刑訊反而自食其果的故事。
唐代要求司法官在判決時必須依法定罪判刑，即必須“引律、令、格、式正文”，“如無正文則依《名例律》所定比附原則行事”，違者要負刑事責任。這是一個重要的規定，表現了封建法治的要求，這對於限制官吏權力的濫用和保證審判符合封建國家的利益，起了一定作用。但對老百姓不會帶來多麼有利的判決。
唐律規定罪犯不服判決可以上訴。不服縣判決的，可上訴到州；不服州判決的，可上訴到尚書省，由左右丞相詳審，“再不服得向三司陳訴”。在一般情況下，不准越級上訴。接受上訴的司法機關，要更為詳細地審訊，違者，笞50。唐律的這個規定，在封建司法機關遵循“官無悔判”的原則之下，加上繁瑣的程序，因循拖沓玩忽民命的官僚作風，“更審”很少會作出改判，反而會給上訴者帶來更大的損害。
在唐代，除了上述一般上訴制度外，還有非常上訴程序即“直訴”，又叫“告御狀”。當時直訴有四種形式：一是“登聞鼓”，即在東(洛陽)西(長安)兩京城門外懸掛一隻大鼓，申訴冤屈者可擊鼓直訴皇帝，要求復審。唐律規定：“撾登聞鼓不實，杖80；主司即不受理，加罪一等。”二是“伸冤匭〔gui癸〕”函。唐武則天時期在朝堂設置四個銅匣，名曰“匭”，其中“伸冤匭”，收受訴狀，並設有“理匭使”這一官職負責處理訴狀。三是“邀車駕”，即在皇帝出巡車駕經過時，攔路喊冤，上表皇帝申訴冤情。但是申訴不實也要處80杖的刑罰。伸冤者只能在儀仗隊外俯首陳告，若沖入儀仗隊內，杖60。四是“上表”，直接向朝廷上表章，披陳冤情。
唐代的死刑复核，從唐太宗時起，把隋代的“三復奏”制度作了更改，在京師實行“五復奏”，在地方仍實行“三復奏”。這一更改不是偶然的，事出有因。唐太宗李世民先後怒殺了大理寺丞張蘊古和交州都督盧祖尚以後，再三追悔，自己責備自己思慮“不審”，他還斥責臣僚們為何不加諫阻，以致錯殺二人。他認為當時實行的“三復奏”，即死刑執行前應向皇帝請示三次的規定，用處不大。他說：“比來決囚，雖三復奏，須臾之間，三奏便訖，都未得思，三奏何益？”說是三復奏，很快就奏完，有什麼用處。於是他決定改三復奏為五復奏，即處死前一日、二日復奏，執行之日又三復奏的製度。就是說，即使依法應處死刑，但情有可原的，仍有獲得從寬免死的機會。
唐代以罪刑的不同有不同執行的規定：笞、杖刑的判決在縣執行。徒刑的執行，在京師。男犯送將作監所服勞役，女犯送少府監所服勞役。流刑應按期送配所勞役，稽留不送的，一日笞30，三日加一等。死刑應在復奏皇帝批准下達三日後執行，並應依法定方法執行，應處斬刑的處了絞刑，或者應處絞刑的卻處了斬刑，處司法官一年徒刑。死刑一般公開執行，採取“斬於市曹與眾棄之”的示戮制度，重者陳屍三日，以示懲戒。唐代承繼漢代以來的秋冬行刑制度，死刑應在所謂肅殺之氣的秋分季節之後執行，如果在立春至秋分之間的萬物生長的季節時執行死刑，要處司法官一年徒刑。對判處死刑的孕婦作了限制性規定，應在產後100日執行。未產或產後未滿百日而行刑的，也要分別處司法官二年、一年徒刑。唐代還有“婦人犯罪非斬者，絞於隱處”(《唐六典·刑部》)的規定。這些規定被宣揚為施“仁政”。
唐朝在京師、州、縣普遍設置監獄，各監獄都設有主管的官吏獄丞和獄吏，其組織系統和管理機構都比較完備。唐律斷獄篇規定按罪情不同分別監押：死囚戴枷，輕罪散禁，被罰作苦工的罪犯還可10天一休息，病給醫藥，重病者家屬可入獄陪住。唐朝統治者重視獄政，刑部每年正月要派遣使臣去巡查。唐律規定囚犯應戴刑具而未戴、脫去或改變刑具，主管獄吏要處笞、杖刑，還規定了囚糧、醫藥和入視的製度。凡是應給囚犯衣食、醫藥而不給的，應讓其家屬入視而不讓入視的，應脫去刑具而不給脫去的，處獄吏60杖。獄吏竊減囚犯口糧致死的，處絞刑。這些規定是為了緩和階級矛盾而製定的，事實上不可能完全實行。