北庭都护府和北庭大都护府治下的军政机构和民政机构是平行的两套体系，各自保持独立，互不相涉。
据《新唐书》卷50、兵志记载：“兵之戍边者，大曰军，小曰守捉，曰城、曰镇，而总之者曰道。”唐代的道，有两重涵义，一是作为行军建置的道，二是作为固定军政建置的道，主要定型化于玄宗在位时期，并与节度府的辖区相重合。北庭道所指即北庭军府，北庭主将即北庭伊西节度使。随着唐朝版图的扩展，唐军驻屯之处都要修建城堡，其中最高级的军事单位称军，可考者有六：
瀚海军：长安二年（702）置，初置名烛龙军，三年（703）改称今名。设于北庭城中，位置应在今北庭古城外城北部，靠近羊马城。《元和郡县志》卷40记开元二年（714），郭虔瓘击败东突厥同俄特勤的进犯，管兵 12000人、马4200匹。是天山北麓一支最强大的驻屯军。
天山军：《新唐书》、《旧唐书》、《元和郡县志》都记此军开元二年置，辖兵5000人，马500匹。屯驻于西州西南五百里。疑其地接近艾丁湖，遗址待考。
伊吾军：在伊州西北，时罗漫山北的甘露川，景龙四年（710）置，统兵3000人，马300匹，《汉西域图考》卷3谓此军近蒲类海的肋巴塘，即今巴里坤大河古城。位于县城北约26公里的大河乡干渠村的东南侧，长方形，东西长360米，南北最宽处210米。一道较宽的城墙将古城分为东西两座小城，城墙中部有连接两小城的通道，城墙都为黄土夯筑。西小城保存较好，城墙有马面、敌台等（图60），城墙最高处约10米，低处2～3米。东小城毁坏严重，城墙大部倒塌，仅辨城垣范围。南、北二城墙各有城门豁口。城墙四角有角楼，仅西北角、西南角尚可辨认，余均无存。城外有护城壕一周。城内出土有陶器、土铜、铁器、钱币等。陶器以泥质灰陶为主，也有黑陶和红陶。主要为罐、瓮、盆等。有两件完整陶罐，一双耳灰陶罐，一黑陶罐。土铜、铁器有铜镜、护身铜质立佛、铜钱、铜棒、铁剪等。钱币均为开元通宝。还出土有模制灰色莲花铺地砖和莲纹瓦当。古城内有一大型的石磨盘，还有众多的马鞍形、桥形磨制石器，大型陶质容器，说明这里曾是一个规模大的屯粮基地，具有典型的唐代风格，无疑就是唐伊吾军城，《吐鲁番出土文书》中《伊吾军纳粮牒》充分反映当地屯粮生产的众多，今属自治区重点文物保护单位。
静塞军：似在轮台附近。《新唐书》卷40记：“静塞军：大历六年（771）置。”
保大军：后来改称碎叶镇守军，屯碎叶城，管兵数千人，开元七年（719）罢废。
清海军：在庭州西七百里，本清海镇，又作清镇军。《新唐书》卷40记：“庭州西七百里有清镇军，本清海镇。”《元和郡县志》卷40：“旧名镇城镇，天宝中改名清海军。”此外史书中还有清镇军之名，敦煌文书马云奇的诗笺中也有吐蕃流放唐人于清海的记载。清镇军应即清海军，《新唐书 ·地理志》有“渡白杨河七十里有清镇军城 ”的记载，清海军似为清镇军之误，则清镇军在白杨河西 70里，叶叶河以东。伯希和编号 2555号文书反映，至公元8世纪末，北庭陷蕃以后，有一位自署为“破落官”即陷蕃的唐朝官员马云奇被俘，押解西去就是先被拘系于清海镇，写出了苍凉悲怆的《九日同诸公殊俗之作》：“一人唱歌数人啼，拭泪相看意转迷。不见书传清海北，只知魂断陇山西。登高乍似云霄近，寓目仍惊草树低。葡酒何须频劝酌，自然心醉已如泥。”诗中之“清海”所指必是清海镇或清海军，亦即清镇军。开元七年（719）碎叶撤镇后，改而结营此地，至天宝年间晋升为军。其地望一说为唐朝名为张堡守捉城，元朝名为仰吉八里，清名阳巴尔噶逊古城的今玛纳斯破城子，另说为濒临艾比湖的精河，尚有待进一步证实。
以上诸军建置时间未必同时，其中同时共存的北庭诸军似乎只有瀚海、伊吾、天山、清镇四军。碎叶镇守军已随碎叶城为突骑施接管而罢废，静塞军则乃安史之乱以后的新增建置。故其兵员难于统计。
军以下建置依次是守捉、城、镇、烽、戍、铺等基层军事建置。城有城主，镇有镇将，烽有烽帅，戍有戍主。各有所统，各司其职。其中镇、戍等属唐军中级军官，各依其统兵多少，分为上、中、下三级，品阶不一，属吏也有所不同。每镇设镇将、镇副各一人，下领仓曹参军事、兵曹参军事各一人。上镇镇将正六品下；中镇镇将，正七品上；下镇镇将，正七品下；镇下为戍，设戍主、戍副各一人。也有上、中、下之别，戍主从正八品下到正九品下不等。①
烽燧虽是唐军中的最基层单位，在唐朝边防体系中的作用却不可小视。规定每隔三十里置一烽，建立于边塞山险关隘处，远离军营、守捉、城镇，为军中耳目。烽有烽帅，管烽卒二至三人，以卫士充任，无卫士，则举乡兵仗充，平时经营劚田，准备乾薪，有警举火。敌少，举一烽或二烽；来多，举三烽；敌军大至逼近，举四烽。“凡烟火一昼夜须行二千里，烽堠还具有勘查过所之责，先发箭警告，防无过所公验者私度关津。”唐玄奘偷度玉门关时就曾被烽堠查获。烽帅下属的机构还有马铺、驼铺、铺人、游奕、土河等。马铺隶属于烽，每铺设铺人二至三人，负责军事情报的刺探，每三十里置一马铺，牧马二匹，平时畜牧劚田，置于非驿道近烽地区，有事则弈驰报探传牒，通知烽燧起火传警。驼铺类似马铺，临沙漠置，配驼一头，每铺置驼人二至三人，平时畜牧劚田，有警传牒报探。铺人，一作铺兵，指马铺士卒，负责有警报探传牒。又有驼人，乃隶属于驼铺，乘驼传牒，其级别、任务与马铺中的铺人相同。游弈由谙熟识山川水泉的军人充任，图60吉木萨尔老台烽燧日与烽燧、马铺、土河计会交牌，日夕巡逻于亭障之外，传警报烽。土河也隶属于烽，负责在边境山口大道，铺设细沙散土，每日检行扫净平整，统计入侵蹄迹足印，料敌多寡，日与游弈交牌，上报军情。因此，凡有敌来犯，唐朝都能及时得到准确情报。吉木萨尔县境内的老台烽燧遗址就是距北庭最近的一处烽燧，位于老台乡西北500米处。其北侧为乡间道路，南临河沟，位于地势较高的土梁上，夯筑，顶部以土坯垒砌，外抹草泥，残高约7.5米，台底宽约为5.6米。遗址东南30米处，东西向沿土梁边筑有五座小墩，其间距为3.5米，底长宽均1.4米，残高 1. 35米，人称五里墩，应是主烽的附属建筑。从遗物判断，这一烽燧直到清初仍继续使用。
自汉至隋，我国传统的军事力量都分步、骑、车等三大兵种，在汉代重装的战车硬弩曾是制胜匈奴的重要手段。北魏、北周时期除了战车之外，曾广泛使用了重装骑兵，人、马皆着重甲，唐朝初年发动的葱山道行军中，因副帅王文度迷信传统战法，改令行军“结为方阵，辎重尽纳腹中，四面布队，人马被甲 ”②，以战车、重装骑兵对付西突厥阿史那贺鲁致败。自此，唐朝实行军事改革，战车失去独立为军 的位置，骑兵变重装为轻装，结果由三军变为步、骑二军。可见唐代是我国由重装转为轻装的历史全面转轨时期。①这种战法同突厥没有什么本质的区别，很可能师承自突厥。
由于唐军实际上是由武装的农民组成，步兵占有很大比重。但步兵行动迟缓，攻击能力较差，主要用于守城、占领地区的维持治安，以及大规模阵战时的辅助兵种。多用以佯败诱敌，邀击伏兵以及阻击任务等。参稽两唐书《高仙芝传》可知，及安西、北庭二大都护府成立以后，担任戍守任务的步兵也多以饷金购私马，而正籍骑兵更是多一人二马，以故二府兵号称 “天下精兵之最”。
唐军的武器种类不多，除远射武器弓、箭以外，主要的长兵器是矛和陌刀，短兵器是刀和剑。矛又作枪，其优势在于以最短的直线致敌人于死地，是既节省体能又发挥有效攻击力的长兵器，自十六国以来盛行，取代了原始的戟。太宗骁将尉迟敬德就是运矛的高手：《新唐书》卷89记秦王李世民内战时期同窦建德的一场大战，“窦建德营板渚，王命李勣等为伏，亲挟弓，令敬德执矟，略其营，大呼致师，建德兵出，乃稍引退，杀数十人，众益进，伏发，大破之”。这里所记的“矟”，亦即矛。唐军阵战时，总是先遣勇士率先冲锋，俟其阵列乱，而后大军全面出击，参稽突厥儒尼文《阙特勤碑》中也有类似的冲阵记载，说明这种战法是唐军与突厥共同的。陌刀似乎是玄宗朝才出现的长兵器，亦即长柄大砍刀。这种兵器可以有效地砍碎木栅等敌军工事，还可以砍马腿，因此安西专门组织了一支特别部队一一陌刀兵。高仙芝伐小勃律之役的连云堡之战就是以陌刀兵取胜的。②后来成为镇西、北庭行营首任主帅的李嗣业就是以陌刀将出身的名将。唐军短兵器中只有刀和剑二种，其中剑似乎只是果毅、郎将以上的高、中级军官所佩，并无很大的实战意义。而刀则乃最常用的战斗利器，用于短兵相接，近身肉搏。《唐六典》武库令条有刀而无剑即为其证。短刀唐名横刀，“横刀，佩刀也，兵士所佩”。③复据李荃《太白阴经》在一军一万二千五百人中，佩刀八分，凡一万口。岑参在为张中郎送行的诗中也提到了这种佩刀：“中郎凤一毛，世上独贤豪。弱冠已银印，出身唯宝刀。”④可见佩刀是步兵配备的主要短兵器。唐军的护身武器为盾和甲，由官府发放，分铁制与皮制两种。见于阿斯塔那222号墓出土的《唐军府甲杖簿》记： ⑤
口口枪四张口甲五领一铁，四皮，一皮抽付疏勒军
（中缝）
口口贤（后缺）
杨泓在其《中国古兵器论丛》中根据郑仁泰墓、李爽墓、独孤君妻元氏墓中的 陶俑、敦煌壁画，对于铁甲、皮甲这两种主要甲型作了详细的研究，并不是所有兵士都有资格配备甲铠，参稽《太白阴经》卷4军械篇，记 12500人的编制中，“甲六分，七千五百领”，仅占百分之六十，何况这些配备甲铠的士兵中还包括护体能力极差的木甲和绢甲在内。
唐军的优势在于攻城武器的完善，仅据贞观十四年（640）交河道行军之役，进攻柳中、高昌二城时就使用了冲车、云梯、抛石器等，但阵战武器则比不上吐蕃的坚盾重铠，更远远比不上大食。当时大食不但已经拥有世界一流的刀矛锻冶工艺，而且拥有投枪等冲阵武器，因而在面对吐蕃、大食等强敌时，渐沦下风。
唐朝西域驻军主要来自河西凉、甘、瓜、肃、沙诸州，也有少量来自秦、雍等关中诸州。他们实质上都是武装起来的农民，数量很多，且多携带眷属，不仅遍布三州，各交通干线的守捉、戍堡、烽堠皆有军士值勤。他们既是边疆的忠诚卫士，又须垦田自赡，一半是农民。根据我国传统惯例，汉军所到之处历来都是自己解决军粮供应，开垦屯田。唐朝各级驻军，上至军、守捉，下至烽、戍、关、津，都是一手持戈，一手持锄，战时出征，平时屯田，各有定额，“屯田，以资糗粮”，自赡军食。唐朝统治西域的时间远远超过前代，驻军多，驻地广，屯垦经营的发展更是达到了前所未有的规模。北庭支度营田使是主管屯田的最高官员，著名诗人岑参就曾出任此职。每大垦区称为屯，一屯垦田五十顷，即五千亩，每屯（相当于今之生产建设兵团之团场）设屯官、屯副各一人，专主屯田事务，以供军需。其分布是：
北庭，二十屯，垦田十万亩。伊吾，一屯，垦田五千亩。轮台，二屯，垦田百亩。①
此外加上西州天山军一屯，已是二十四屯。此外，碎叶、清海（清镇）等地的屯田尚未计算在内。“大者五十顷，小者二十顷，凡当屯之中，地有良薄，岁有丰俭，各定为三等。”并规定每屯“以善农者为屯官、屯副”。②其下设“主簿一人，录事一人，府三人，史五人”。③组成精干办事机构，处理本屯屯田事务，支度盈绌，而上隶于支度营田使、仓曹参军事。又据《新唐书·食货志》记载，凡屯田地区“上地五十亩，瘠地二十亩，稻田八十亩，则给牛一”。碛西地区本来马多牛少，而唐人农耕习用牛。据吐鲁番出土文书《唐杂物牲畜帐》，牛为其大宗。为了屯田事业的发展，唐朝还饲养、繁育了大量耕牛，但使用耕牛者似局限于较大的屯垦单位，至于三五人组成的烽铺则只能纯以人力劳作。每屯垦田定额五十顷，即5000亩，25屯垦田面积是一个庞大的数字，出现了“轮台、伊吾屯田，禾菽弥望”④的景象，可见其北庭屯田发展的巨大规模。军屯的收获除供自用外，皆须上交、贮存，吐鲁番阿斯塔那1972年出土文书《伊吾军纳粮牒》就是一份有关伊吾军向北庭交纳军粮的清单：
敕伊吾军牒上西庭支度使
全军州应纳北庭粮米肆仟硕
叁仟捌佰伍拾叁硕捌斩叁胜伍合
军州前后捡纳得
肆拾叁硕壹豆斤陆胜伍合前后欠六纳
壹佰玖拾柒硕纳伊州仓讫
叁仟陆佰肆拾陆硕捌豆斤叁胜伍合纳军仓讫
此牒具体记录了该军每年须向北庭缴纳4000石粮，另缴伊州197石，本军仅留屯粮3646石。可见各军屯田收入除了自赡军食以外，还须上纳官仓，这是唐朝对军屯生产的强制性规定。军以下的各级组织，守捉、镇戍虽然不在上述大垦区“屯”的编制之内，也须就地经营小块耕地，自给军食。乃至各烽戍也有自身的小块烽戍劚田。无论条件多么艰苦，任务何等繁重，皆由官府提供生产资料，自己创造条件，自垦小块荒地，种植蚕、豆之类，不但必须自赡，且须饲养战马，以减轻官府的经济压力。大量内地罪犯，遣送碛西各州，也参加了屯田经营。72TAM326，83/1，83/2，83/3号文书所叙即为开元十一年（723）北庭所辖诸守捉劚田事。其中记叙了俱六守捉、神山守捉、凭洛守捉的劚田数量，后有北庭副都护兼□使赐紫金光禄大夫检校北庭都护兼经略大使的署名。文书不再赘引。即使像烽铺这样最小的军事单位，也无例外地须各自就近营田。编号为72TAM226：64（a）69（a）所反映的《唐开元某年伊吾军典王元琮为申报当军诸烽铺田亩数事》中记述：“当军诸烽铺今年劚田总壹顷陆拾玖拾伍亩。”其中“泥熟烽种豆壹叁拾伍（亩）速独烽种豆陆亩其下囝故亭烽种床陆亩别下青山烽种豆伍亩别下子（烽）贰拾肆亩，见柽烽捌亩，花泉烽陆亩”。以上文书反映伊吾军下属速独、高头、阿查勒、泥熟、故亭、青山、柽土追、花泉诸烽，虽然所在地，不宜种麦，也须经营劚田。少者1亩，多者8亩，平均五六亩；虽然土地贫瘠，不宜种麦，也须种植粟豆等杂粮、马料。唐在庭州设有支度营田使，经常派人检查驻军屯田的情况。在吐鲁番出土文书中有《唐北庭都护支度营田使文书》，记有“节度副大使，银青光禄大夫、检校北庭都护、支度营田等使、上柱国杨楚客 ”，“伊吾军未报，典康元。又检神山主帅王惠通，典康元。神山镇所种田，军报，不涉欺隐口口 ”。这里说的 “营田使”，是庭州管理屯田的官。《新唐书·百官志》卷49下记载：“边州别置经略使，沃衍有屯田之州，别置营田使。”神山镇，是庭州南面的小镇。《新唐书·地理志》卷40说：庭州“南有神山镇”。由此可见，这件文书，是关于庭州营田使派人检查神山驻军屯田的文书。唐朝在庭州除有大规模的屯田基地外，也有小型的烽铺屯田。在《吐鲁番出土文书》第八册，有《唐北庭诸烽劚田亩数文书》，记有“耶勒守捉界耶勒烽口口”，“乾坑烽■伍亩”，“白粟叁亩共刈得贰口口”，“柽林烽■伍亩，共口口”。这件文书，记载了北庭各烽铺屯田的亩数，具体数字虽残缺不清，但它证明了北庭烽铺屯田的存在。对于北庭各地驻军，唐朝不仅不供应任何粮食，而且士兵屯田所得，还须供应上级军官的官俸和其他公用开支。仅须从内地调拨大批绢帛，供应将士的衣装、被褥，并作为战时奖赏战功之用，其数量也相当巨大。“自开元及于天宝..每岁军用日增”，仅给衣一项，就须520万匹，其中每年调支“伊、西、北庭四十万（匹）”。正是唐军士卒的无偿劳动支撑起大唐西域的军事辉煌。而随着历史的变迁，其中许多城堡演变为居民稠密的城市，如张堡守捉发展为昌八剌城，独山守捉发展为元之独山城，足证唐朝驻军的耕屯卫戍，对于后世天山北麓地区经济的繁荣做出了重大贡献。