魏、蜀、吳三國兵制基本沿襲了東漢制度，但也有變化和發展，主要是建立了中外軍制度和實行世兵制。
魏、蜀、吳三國都建立了中外軍制度。由於各自情況的差異，三國的中外軍制度也不完全相同。
曹魏軍隊由中央軍和州郡兵兩部分組成。中央軍按駐屯地點和擔負的任務不同又分為中軍和外軍。中軍是曹氏父子直接統轄的部隊，由曹操的親軍“虎豹騎”發展而成，包括武衛營、中壘營、中堅營、驍騎營、游擊營等五營。中軍的任務是負責侍從皇帝、宿衛皇宮、保衛京師。中軍屯駐於京城地區，由中領軍統領，是魏軍的核心力量。外軍屯駐於邊州重鎮，負責隨時支援邊郡地方武裝，由中央派出的都督分領。中外軍的這種區分始於曹操執政時期，曹操在官渡之戰中擊敗袁紹，佔領了冀、並、青諸州。為控制和鞏固這一佔領區，遂派兵留駐該地重要城鎮。為與擔負宿衛任務的軍隊相區別，這些留駐的軍隊便稱作外軍。外軍雖駐外地，但仍由中央直接指揮。曹丕稱帝后，中外軍制度完全形成。
中外軍的最高統帥，是由皇帝任命的都督中外諸軍事擔任。曹真、司馬師等人先後被任命為都督中外諸軍事，掌握兵權。曹魏後期，司馬氏勢力上升，司馬昭、司馬炎等都以大將軍職掌握軍權。
蜀漢的中央軍分為前、後、左、右、中五軍。中軍主要負責侍從宿衛，和曹魏的中軍相似；前、後、左、右軍則略同於曹魏的外軍。五軍統帥分別是前、後、左、右將軍和護軍將軍。關羽為前將軍，指揮荊州方面軍隊；張飛為右將軍，指揮漢中方面的軍隊；馬超為左將軍，指揮涼州方面的軍隊；黃忠為後將軍，指揮控制在中央的機動軍隊。
蜀漢的中央宿衛軍，主要有左右羽林部和虎步營、虎騎營。羽林部成員都是軍官出身，類似於漢的羽林郎，人數不多，長官為部督，相當於漢的羽林中郎將。步、騎兩營是宿衛軍的主力，每營各有五六千人，長官為虎步監、虎騎監。姜維曾任虎步監。
蜀漢的外軍，與曹魏外軍性質相同，是由中央派出，鎮守在重要戰略方向上的軍隊。主將為都督，一般由將軍擔任，如鄧芝以前將軍為江州都督，廖化以後將軍為永安都督。
孫吳的中軍是中央直接控制的部隊，以宿衛軍為主。擔任宿衛的士兵，稱羽林、武衛和虎騎等，大多是孫氏的故將部曲。外軍屯駐在京城外各軍事要點，由督率領，一般將所在地名稱冠於督之前，如西陵督、江陵督、蕪湖督等等。中外軍的最高統治權開始掌握在孫權手中。孫權死後，軍權逐漸下移至大將軍之手。大將軍之後常加“領中外諸軍事”、“督中外諸軍事”等稱號，成為孫吳中外軍的實際最高統帥。諸葛恪、孫峻、孫琳專權時都是如此。如諸葛恪專權時為“荊揚州牧、督中外諸軍事”，孫峻殺諸葛恪後，任“丞相、大將軍、督中外諸軍事”，孫峻死后孫琳專權，為“侍中、武衛將軍、領中外諸軍事”。
三國時期兵役制度主要是世兵制。所謂世兵制，是由一部分人戶專服兵役、世代為兵，是保證地主階級政治需要的一種兵役制度。世兵制形成和確立於三國時期。曹操起兵之初，各軍閥為防止官兵叛逃，都要求將領甚至士兵以家屬為人質。士兵的家屬被集中管理，嚴加控制，成為軍戶。統治者為了獲得穩定的後備兵員，強迫軍戶世代為兵，父死子代，兄終弟及。這樣，世兵制正式形成。
世兵制的主要特點就是軍戶和民戶分離，軍戶世代為兵和士兵叛逃罪及家屬。由於漢末重男輕女，造成男多女少，男子求偶困難。為了保證兵源，曹魏政權採取行政手段干涉軍戶的婚配，不許軍戶女子外嫁，只准在軍戶內求偶。
蜀漢在實行徵兵制的同時，對各級將領的部曲實行世兵制。諸葛亮在進軍南中地區時，還收降大量少數民族人民當兵。據《華陽國志》記載，在擊敗孟穫後，“移南中勁卒青羌萬餘家於蜀，為五部，所當無前，號為正軍”。還徵募川西“蜀叟”人為兵，號稱“叟兵”，遷入的這些少數民族逐漸成為世代為軍的軍戶。
孫吳的世兵制有自己的特色。與曹魏的家屬不准隨軍不同，家屬一般隨軍，由各統兵將領控制。孫吳政權是在江南大族和北方南遷大族的積極支持下建立的，這些大族都擁有相當的軍事、經濟實力。為了照顧這些大族的利益，孫氏父子不得不承認他們的領兵權，於是形成了孫吳特有的世襲領兵制。統軍將領對所統之兵可以世襲統領，父死子繼，兄終弟及。如蔣敘死後，其所統之兵由其子蔣壹接領，蔣壹戰死後，因為無子，便由其弟蔣休接領。又如凌操戰死時，其子凌統年僅15歲，便接替其父統兵作戰。這樣的例子，《三國志》中記載頗多。
東漢末期，各割據勢力均以擁護漢室為號召，都接受漢的官位。漢獻帝初平元年(公元190年)，關東諸州郡聯合討伐董卓時，曹操的職位是奮武將軍，其部將多稱奮武將軍司馬或別部司馬。據《三國志》記載，曹操為奮武將軍時，夏侯惇為司馬，夏侯淵為別部司馬。建安元年(公元196年)，曹操以大將軍、丞相的名義掌握實權，漢獻帝成為傀儡。曹操在正規官制之外，另組一套機構，後世稱為霸府。霸府既是政治權力的中心，也是最高軍事指揮機構。
曹操任大將軍開府(指開設府署，設官置吏)時，置長史一人，總管府內各曹；司馬一人，主管軍政；從事郎中二人，參與謀議。任丞相後，府中官員進一步擴大，增設軍師祭酒，左、右、前、後、中軍師，左、右司馬，主簿、參軍等。這些幕僚之外，還有兩名更重要的官員：領軍和護軍。他們統率曹操的親軍，平時輔佐曹操，參與軍事機密和決策，戰時代表曹操出外統帥、監護一個方面的軍隊。建安十二年(公元207年)，改領軍、護軍為中領軍和中護軍。
曹丕代漢建立魏國政權後，魏帝成為最高軍事統帥，不再設丞相，以幕僚近臣任中書監、中書令，參與機要。軍事方面，臨時任命都督中外諸軍事，代表皇帝指揮全國軍隊。曹魏後期，司馬氏當權，司馬昭任丞相，相府遂成為魏國的軍政權力中心。
劉備興起後，以左將軍、漢中王名義開府，府中設有完備的幕僚機構，以諸葛亮為軍師將軍。劉備即帝位後，任命諸葛亮為丞相錄尚書事，輔佐劉備總理軍政。夷陵之戰失敗後，劉備病死白帝城，兒子劉禪繼位，諸葛亮以丞相掌握朝中實權。諸葛亮死後，蔣琬以大將軍、大司馬繼掌兵權。此時蜀漢的最高統御機關實際上是丞相府、大將軍府。其府中幕僚，有軍師、長史、司馬、從事、主簿、參軍、椽、史、門下督和記室，與曹魏相似。
孫策、孫權兄弟佔據江東，以討逆將軍、討虜將軍名義開府，自任統帥。府內設置與魏蜀近似，也是參照漢制。除有軍師、長史和諸椽外，統兵將領有護軍、領軍、典軍等。周瑜曾任中護軍，呂蒙曾任左護軍，陸遜曾任右護軍。領兵出征的主帥稱督或大督，如周瑜隨孫權攻黃祖時，為前部大督；赤壁之戰時，與程普分任左、右督。孫權稱帝后，部將官職和官階提高，如陸遜由輔國將軍、右護軍，改稱上大將軍、右都護。