唐代不论是司法机关还是诉讼制度，都比以前更为完备了。
唐代的司法机关，在中央设立了大理寺、刑部和御史台三位一体的司法系统，简称“三司”。
大理寺是最高审判机关，其长官叫大理寺卿，副职叫少卿，属吏有大理正、大理丞等，负责审理中央百官和京都徒罪以上案件，复审地方上报的死罪疑案，对徒罪、流罪案件的判决必须送刑部复核，对死罪案件的判决要直接奏请皇帝批准。
刑部是中央司法行政机关，其长官称尚书，副职称侍郎，属吏有郎中、员外郎等，负责复核大理寺报来的流罪以下及州(府)县徒罪以上案件。在复核中，如有疑案、错案，对徒流以下案件可驳令原审机关重审，或者自行复判；对死罪案件可转交大理寺重审，上奏皇帝批准。
御史台是中央监察机关，掌有司法监督权，其长官称御史大夫，副职为御史中丞，属下有若干御史，负责监督大理寺和刑部的司法审判活动，遇有重大疑案也参与审判，并受理行政诉讼案件。
三司都遵照皇帝命令，统掌法制政令。它们都有审判职能。凡遇到特别重大案件，由大理寺卿会同刑部尚书和御史大夫共同审理，这叫“三司推事”。“三司”之间互相配合，又互相监督，这种制度加强了皇帝对中央司法机关的控制，比秦汉以来的司法制度更加严密和完备。这种联合审判的制度，是后世“三法司”的前身。
唐代出现了一些执法不阿的司法官吏。史书记载，唐太宗时的大理少卿戴胄，高宗时的大理丞狄仁杰，武后时的司刑丞徐有功，玄宗时大理寺卿李朝隐等，都敢于向皇帝直谏，纠正皇帝不依法断罪的错误。
在唐代，由监察机关和各级官吏代表国家纠举犯罪的，称为“举劾”，类似近代的公诉。上司对下属犯罪不举劾的，要治罪。唐律规定，对一些重大犯罪，人人有告发的责任，家属也不例外。知情者不告发，也要治罪。举劾和告发都是起诉的形式。
起诉的另一种形式是告诉，类似近代的自诉。唐律对平民告诉有种种限制。例如，除谋反、谋叛、谋大逆等重大犯罪外，对其他一般犯罪，卑幼和卑贱不得控告其尊长，奴婢不得控告主人，如有告者要处重刑。在押犯人，年龄80岁以上、10岁以下的人，笃疾者(患不治之症)，一般无告诉权，对无告诉权的人告诉的案件，司法官不得受理。如若受理，司法官要处罚。
唐代司法在审级管辖上基本沿袭汉代的三级审制：县为第一级，受理处杖刑以下案件，州为第二级，受理上诉案件，刑部受理徒刑以上案件。在地区管辖上，凡在百里之内发生的案件涉及两个或两个以上同级司法机关的，原则上轻罪从重罪；两县囚犯罪名相等，移后从先，即交先受理的司法机关审理。百里以外的案件，由事发处审理。
唐代建立了审讯回避制度。凡司法官与当事人有亲属关系、师生关系，有过恩仇，曾经在本地区任过刺史、县令的人，都必须回避。
唐代的审讯要求“依状鞫狱”，即依诉状所写的事项进行审讯，不得追究诉状以外的事项，否则“以故入人罪论”。但是有人检举或发现另有其他罪的，不在此限。
唐代的审讯以众证定罪，口供是判决的主要证据，所谓“罪从供定”。唐代的证人证言制度，对证人出庭作证作了严格规定，凡80岁以上、10岁以下以及患有不治之症的笃疾者，缺乏作证能力，不得作证。唐律强调“亲亲相隐”的礼教原则，凡是犯人亲属不得要他们作证。唐代实行“众证定罪”原则，要三人以上证人作证才能定罪，所谓“三人证实，二人证虚”。为了取得口供和证言，唐律允许对被告和证人使用刑讯手段。秦汉以来，封建国家一直确认刑讯制度的合法性。唐朝则进一步将刑讯制度化了。唐律规定刑讯以前，司法官必须立下文书，并要得到现任长官的同意。拷讯每隔20日进行一次，拷打三次为止，总共不得超过200杖；在此限内拷讯致死的，不追究责任。这种限制在一定时期一定程度上具有约束力，但随着封建法制的破坏，无论是否有罪，都反复动用酷刑。对享有议请减免等特权的贵族官僚，年70岁以上、15岁以下及残疾者、孕妇，不得进行拷讯。违反上述规定的司法官要受到刑事处罚。
实际上，上述法律限制很少有约束力，唐代的拷打刑讯的运用是很普遍的。史书记载“请君入瓮”的故事：武则天统治时期，任用周兴、来俊臣等人主管司法审判工作。他们编著《告密罗织经》，专门训练特务，传授诬告陷害的经验。他们经常使用惨无人道的刑讯手段，枉杀正直的大臣和无辜的群众，据说惨死在周兴手下的就有几千人。武后天授二年(公元691年)，有人告发周兴和丘神绩共同谋反，武则天下令秘密逮捕周兴，并由来俊臣负责审讯。来俊臣深知周兴是个搞刑讯逼供的老手，要他如实招供决非易事。于是，来俊臣趁周兴尚不知道事情的真相之前，请他饮酒，以请教的口吻对周兴说：“罪犯个个狡猾无比，用种种刑具都不肯招供，不知周兄审讯罪犯有何新招？”周兴洋洋得意地吹嘘说：“我一向有个奇妙的方法，就是用一只大瓮，四面架起炭火，烧得滚烫，然后把囚犯放进去，你看他招不招。”这时，来俊臣奸笑一声，立即叫人搬来一只大瓮，烧得通红，厉声喝道：“周兴，你图谋造反，已被揭发，我奉密诏惩办你，现在就请君入瓮！”周兴一听吓得瘫倒在地，认罪服法。这是酷吏周兴滥施刑讯反而自食其果的故事。
唐代要求司法官在判决时必须依法定罪判刑，即必须“引律、令、格、式正文”，“如无正文则依《名例律》所定比附原则行事”，违者要负刑事责任。这是一个重要的规定，表现了封建法治的要求，这对于限制官吏权力的滥用和保证审判符合封建国家的利益，起了一定作用。但对老百姓不会带来多么有利的判决。
唐律规定罪犯不服判决可以上诉。不服县判决的，可上诉到州；不服州判决的，可上诉到尚书省，由左右丞相详审，“再不服得向三司陈诉”。在一般情况下，不准越级上诉。接受上诉的司法机关，要更为详细地审讯，违者，笞50。唐律的这个规定，在封建司法机关遵循“官无悔判”的原则之下，加上繁琐的程序，因循拖沓玩忽民命的官僚作风，“更审”很少会作出改判，反而会给上诉者带来更大的损害。
在唐代，除了上述一般上诉制度外，还有非常上诉程序即“直诉”，又叫“告御状”。当时直诉有四种形式：一是“登闻鼓”，即在东(洛阳)西(长安)两京城门外悬挂一只大鼓，申诉冤屈者可击鼓直诉皇帝，要求复审。唐律规定：“挝登闻鼓不实，杖80；主司即不受理，加罪一等。”二是“伸冤匦〔gui癸〕”函。唐武则天时期在朝堂设置四个铜匣，名曰“匦”，其中“伸冤匦”，收受诉状，并设有“理匦使”这一官职负责处理诉状。三是“邀车驾”，即在皇帝出巡车驾经过时，拦路喊冤，上表皇帝申诉冤情。但是申诉不实也要处80杖的刑罚。伸冤者只能在仪仗队外俯首陈告，若冲入仪仗队内，杖60。四是“上表”，直接向朝廷上表章，披陈冤情。
唐代的死刑复核，从唐太宗时起，把隋代的“三复奏”制度作了更改，在京师实行“五复奏”，在地方仍实行“三复奏”。这一更改不是偶然的，事出有因。唐太宗李世民先后怒杀了大理寺丞张蕴古和交州都督卢祖尚以后，再三追悔，自己责备自己思虑“不审”，他还斥责臣僚们为何不加谏阻，以致错杀二人。他认为当时实行的“三复奏”，即死刑执行前应向皇帝请示三次的规定，用处不大。他说：“比来决囚，虽三复奏，须臾之间，三奏便讫，都未得思，三奏何益？”说是三复奏，很快就奏完，有什么用处。于是他决定改三复奏为五复奏，即处死前一日、二日复奏，执行之日又三复奏的制度。就是说，即使依法应处死刑，但情有可原的，仍有获得从宽免死的机会。
唐代以罪刑的不同有不同执行的规定：笞、杖刑的判决在县执行。徒刑的执行，在京师。男犯送将作监所服劳役，女犯送少府监所服劳役。流刑应按期送配所劳役，稽留不送的，一日笞30，三日加一等。死刑应在复奏皇帝批准下达三日后执行，并应依法定方法执行，应处斩刑的处了绞刑，或者应处绞刑的却处了斩刑，处司法官一年徒刑。死刑一般公开执行，采取“斩于市曹与众弃之”的示戮制度，重者陈尸三日，以示惩戒。唐代承继汉代以来的秋冬行刑制度，死刑应在所谓肃杀之气的秋分季节之后执行，如果在立春至秋分之间的万物生长的季节时执行死刑，要处司法官一年徒刑。对判处死刑的孕妇作了限制性规定，应在产后100日执行。未产或产后未满百日而行刑的，也要分别处司法官二年、一年徒刑。唐代还有“妇人犯罪非斩者，绞于隐处”(《唐六典·刑部》)的规定。这些规定被宣扬为施“仁政”。
唐朝在京师、州、县普遍设置监狱，各监狱都设有主管的官吏狱丞和狱吏，其组织系统和管理机构都比较完备。唐律断狱篇规定按罪情不同分别监押：死囚戴枷，轻罪散禁，被罚作苦工的罪犯还可10天一休息，病给医药，重病者家属可入狱陪住。唐朝统治者重视狱政，刑部每年正月要派遣使臣去巡查。唐律规定囚犯应戴刑具而未戴、脱去或改变刑具，主管狱吏要处笞、杖刑，还规定了囚粮、医药和入视的制度。凡是应给囚犯衣食、医药而不给的，应让其家属入视而不让入视的，应脱去刑具而不给脱去的，处狱吏60杖。狱吏窃减囚犯口粮致死的，处绞刑。这些规定是为了缓和阶级矛盾而制定的，事实上不可能完全实行。