唐朝的中央政府核心机构，继承了隋朝的制度，采用的是三省六部制。
三省是：尚书省、中书省、门下省。
尚书省是全国最高行政执行机构，长官为尚书令，因唐太宗在即位前曾担任过，故以后长期缺而不设，提升原次一级的长官左、右仆射为实际最高长官。下有左、右丞为副手，再下有左、右司郎中，左、右司员外郎。尚书省统率六部。
中书省是为天子颁布大政文书的机构，长官为中书令，副手为中书侍郎。下有中书舍人六人（对应六部），具体掌草诏文书。开元初年，另设他官掌诏命，称为“知制诰”。又有右散骑常侍、右谏议大夫、右补阙、右拾遗，为谏官。
门下省是审核天子大政文书的机构，中书省发出的文书，均需交其审核，无异议的交尚书省执行，有异议的退回中书省，时称“封驳”。同时，还负责对下面呈送的文书进行审核。长官为侍中，副手为门下侍郎。下有给事中四人，具体掌审核事，对有异议的文书，涂勾后退回中书省，唤作“涂归”。又有左散骑常侍、左谏议大夫、左补阙、左拾遗，为谏官。无论中书省还是门下省的谏官，都有五种谏法：讽谏，顺谏，规谏，致谏，直谏。
三省的长官，为当然的宰相，因尚书令的缺置，中书令、侍中成为实际主持政务的最高长官。左、右仆射或次级官员担任宰相，在其本职之后，需加上参知机务、参知机密、参知政事、参知军国重事等名号，也称为“同中书门下三品”，因中书令、侍中皆是三品。到唐中期，中书令、侍中提升为二品，从而改为“同中书门下”、“同平章事”。安史之乱以后，朝廷多不设中书令、侍中，常用次级官员如侍郎等担任宰相。唐朝的宰相无定员、无常制，少则二人，或四五人，或七八人，在武则天时期，曾达到过十多人。
唐初，为了三省长官讨论事务的便利，在门下省设立了“政事堂”，以供他们联合办公。武则天时，裴炎任中书令，将“政事堂”迁入了中书省。唐玄宗开元年间，张说任中书令，为了集权，改“政事堂”之名为“中书门下”，并在其下设立了五房：吏房、枢机房、兵房、户房、刑务房，以分管各事务。
尚书省下的六部，是吏部、户部、礼部、兵部、刑部、工部。
六部分掌全国各种行政事务，其办事处称为“都堂”，长官为尚书，副手为侍郎。下各设四司，长官为郎中，每第一司称为“头司”，其名称与本部相同；另三司称为“子司”。此外，六部之间有高低之分，吏、兵二部为“前行”，户、刑二部为“中行”，礼、工二部为“后行”。如此，不仅体现了各部在政府中的地位，且便于官员的升迁。
吏部掌管对文官的选举、勋封、考课。下分四司：吏部司，掌管文官的品阶、朝集、禄赐、告身、借使，以及流外官。司封司，掌管封爵、朝会、赐级。司勋司，掌管勋级。考功司，掌管官员功过善恶的考课。
户部掌管天下土地、民众、钱粮、贡赋。下分四司：户部司，掌管户口、田地、赋役、贡献、婚姻、继嗣、账籍。度支司，掌管租赋、物产、转运。金部司，掌管府库出纳、度量衡、市场、赐物。仓部司，掌管粮仓，以及义仓、常平仓。
礼部掌管国家礼仪、祭祀、贡举。下分四司：礼部司，掌管礼乐、学校、衣冠、符印、表疏、图书、册命、祥瑞、喜丧。祠部司，掌管祭祀、天文、时辰、卜筮、医药、僧尼。膳部司，掌管陵庙祭品。主客司，掌管诸王、藩使朝见。
兵部掌管武人选举、地图、车马、兵器、军械。下分四司：兵部司，掌管武官品阶、府兵、校考、告身。职方司，掌管地图、城隍、镇戍、烽火、道路，以及异族归化。驾部司，掌管舆辇、车乘、传驿、厩牧。库部司，掌管兵器、军队仪仗。
刑部掌管律令、刑法、狱事。下分四司：刑部司，掌管律法、复审大理以及天下所呈案子。都官司，掌管俘虏、官奴。比部司，掌管赋税、经费、俸禄、赎罪。司门司，掌管门关出入。
工部掌管山泽、屯田、工匠、办公纸笔。下分四司：工部司，掌管城池土木建筑。屯田司，掌管屯田、在京文武官的职田、各机关的公廨田。虞部司，掌管京城街道、林苑、打猎、山泽草木，以及对百官、蕃客日常生活的供应。水部司，掌管水津、舟船、渠道、堤防、捕渔、漕运、碾磨。
三足鼎立的三省制，以及下属的六部，构成了一套有完整系统且运转灵活的中央政府机构，其在中国政治制度史上有着极其重要的地位，也成了后世构建政治体制的主要范本。