Quân số Tây Sơn cao nhất được sử sách ghi nhận là vào thời gian đánh Mãn Thanh, vượt 100.000 quân. Lệnh tòng quân, bao gồm việc cưỡng bách trong thời gian triển khai ra Bắc đánh quân Mãn Thanh là vô cùng gắt gao. Việc kiểm tra quân số và thi hành kỷ luật quân đội rất nghiêm khắc. Kỷ luật quân đội cũng bù đắp phần nào yếu kém bởi sự huấn luyện vội vã để có thể đánh trận. Dựa theo sự mô tả của các nhà truyền đạo phương Tây lúc đó, Tây Sơn gần như sử dụng "chiến tranh toàn dân", tất cả mọi người đều được huy động, nhà sư cũng bị bắt đi lính, phụ nữ và con gái phải theo trợ chiến. Người già, con nít chừng 15 tuổi trở lên, du thương, cướp biển, dân tộc thiểu số đều được đưa vào quân đội.[2] Theo thư của giáo sĩ La Bartette gửi cho Blandin ngày 25 tháng 6 năm 1786 thì: "Họ đã phá hủy tất cả những giáo đường đẹp nhất ở đây, họ cũng phá hủy tất cả chùa chiền và bắt tất cả những nhà sư cầm vũ khí để ra trận." Nguyễn Huệ không ngần ngại đốt phá, tàn sát nếu gặp chống cự, để tiêu diệt địch cũng có mà thị uy cũng có. Nắm vững quan điểm kỷ luật là sức mạnh của quân đội, ông hết sức gắt gao trong việc điều quân và nổi tiếng là nghiêm minh. Bertette và Dousssain từng nhiều năm truyền đạo ở miền Thuận Hóa, trong bức thư đề ngày 11-6-1788, đã viết: Nguyễn Huệ đôi khi điều động được từ hai đến ba trăm nghìn quân.[3]

Theo vai trò, quân đội Tây Sơn được tổ chức thành:

- Trung quân

- Tiền quân

- Tả quân

- Hữu quân

- Hậu quân

Theo biên chế đơn vị, quân đội Tây Sơn được tổ chức theo nguyên tắc "ngũ ngũ chế":[4]

Đơn vị	Số lính
Đội (thủy quân gọi là Thuyền)	60 - 100
Cơ	300 - 500
Đạo	1.500 - 2.500
Doanh (cùng một số cơ)	~ 15.000

Quân số của mỗi đội, cơ, đạo không thống nhất, nó thay đổi tùy theo tính chất của binh chủng, tùy theo địa điểm chiến thuật mà các đơn vị đó chiếm đóng. Thông thường mỗi đội có từ 60 đến 100 lính, mỗi cơ từ 300 đến 500 lính, mỗi đạo từ 1.500 đến 2.500. So với quân số ở cấp tương đương của quân đội Lê, Trịnh hoặc Nguyễn, không có sự chênh lệch quan trọng.[5] Doanh và đạo là những đơn vị hỗn hợp có cả các thành phần của bộ binh, pháo binh, kị binh và tượng binh (như đơn vị hợp thành của quân đội hiện đại mỗi khi tác chiến).

Theo chức năng, quân đội Tây Sơn được tổ chức thành:

Bộ binh Tây Sơn

Theo truyền thống của Đàng Trong, Nhà Tây Sơn luôn luôn có một đạo thân binh, được trang bị tối tân và rất kỷ luật, tên là đội thân binh Thuận Quảng, bao gồm binh sĩ các vùng Thuận Hóa và Quảng Nam ở Ðàng Trong, trong đó có một số đông người Thượng và người Hoa rất thiện chiến. Tướng thường chít khăn đỏ, người miền Bắc gọi họ với ý khinh rẻ là man binh (quân mọi), cuồng Chiêm (quân Chiêm hung tợn) hay quân Quảng Nam. Những địa điểm quan trọng thường có quân "Quảng Nam" đồn trú. Theo Hoàng Xuân Hãn, "quân Tây Sơn cầm cờ đỏ có tháp lông gà nhuộm đỏ, gọi là cờ hồng mao". Trong Lê quý dật sử thì viết rằng quân Tây Sơn khi đóng ở Nghệ An mặc áo màu đỏ tía, chỏm mũ đính lông chiên đỏ, vũ khí dùng tên lửa buộc trên đầu ngọn giáo gọi là hỏa hổ. Y phục này cũng được nhắc đến trong Đại Nam Quốc sử Diễn ca trong câu 1829-30:

Quân dung đâu mới lạ nhường,Mão mao, áo đỏ chật đường kéo ra.

Theo đánh giá của người châu Âu đến Đàng Trong thời đó thì quân đội Tây Sơn rất tinh nhuệ, trang bị nhiều vũ khí tân kỳ ở thời đó. Họ sử dụng nhiều loại súng ống bao gồm cả súng đại bác và súng hỏa mai. Quân Tây Sơn cũng được huấn luyện để tự pha chế lấy thuốc nổ và người châu Âu đã kinh ngạc vì lính Tây Sơn nạp đạn rất nhanh, trong khi quân Anh phải thực hiện đến 20 động tác cho mỗi lần nạp đạn thì người Việt chỉ cần có 4 động tác.[cần dẫn nguồn]

Pháo binh Tây Sơn

Súng thần công Nhà Tây Sơn tại Bảo tàng Quang Trung, Bình Định.

Ngay từ thế kỷ 17, lực lượng pháo binh của Trịnh – Nguyễn đã giữ một vai trò quan trọng trong công cuộc phòng thủ bảo vệ thành lũy, và trong tiến công áp đảo quân địch. Súng đại bác được dùng để phòng thủ, nếu đưa ra trận thì dùng voi kéo hay chở nên rất cơ động.[6]

Quân Tây Sơn là một quân đội lấy tiến công làm chính, họ có lực lượng Voi chiến trang bị pháo, và pháo hạm, vừa có tính cơ động vừa mạnh về hỏa lực, hỏa lực sử dụng chiến đấu và yểm trợ bộ binh khi xung trận. Lực lượng pháo binh Tây Sơn gồm các loại đại bác hạng nặng, hạng nhẹ, các loại hỏa hổ (hỏa tiễn cầm tay). Theo báo cáo của các quan sĩ Pháp từng theo phò Nguyễn Ánh cũng như sử sách nhà Nguyễn đều công nhận tính năng phi thường của các đại pháo và hỏa pháo Tây Sơn. Trong các trận đánh dưới sự chỉ huy của Nguyễn Huệ, lực lượng pháo binh Tây Sơn lúc nào cũng vượt trội và cơ động nhanh, đáp ứng tốt yêu cầu của chiến trường. Các trận đánh lớn của bộ binh đều có pháo binh yểm trợ và hiệp đồng chiến đấu. Trong trận đánh ở chiến lũy Trấn Ninh (Quảng Bình) vào năm 1802, quân Tây Sơn đã huy động cả ngàn khẩu pháo.[7][8]

Các kiểu súng đại bác cỡ nhỏ thì có thể mang trên lưng và bắn một loại đạn nặng chừng hơn 100 gram. Một người lính cõng cái nòng súng dài chừng 2 thước, trong khi một người lính khác mang cái "giá" là một khúc gỗ tròn dài cũng chừng cái nòng súng. Khi tác xạ, cái "giá" được dựng lên bằng hai cái càng hay một cái chạc cao khỏi mặt đất chừng một mét, nòng súng sau đó để lên trên giá trong một cái ngàm sắt. Người lính có thể điều chỉnh độ nhắm và kiểm soát bằng một cái báng tì lên trên vai. Các loại súng này rất tiện lợi cho việc di chuyển và phục kích quân địch.[cần dẫn nguồn]

Kỵ binh Tây Sơn

Quân Tây Sơn sử dụng ngựa thồ và huấn luyện chúng thành ngựa chiến. Nguyễn Nhạc sau khi lên ngôi, lúc sứ giả nước Anh là Chapman tới yết kiến, Nguyễn Nhạc đặt vấn đề có ngay một con ngựa Ăng Lê, ông muốn có ngựa ngoại với bất cứ giá nào và ông đã nhờ Chapman chuyển thư cho Toàn quyền Bengale yêu cầu một con ngựa nâu sẫm với đôi tai nhỏ và đẹp, dựng đứng lên trong chuyến tàu sớm nhất cập vương quốc của mình qua cảng Thị Nại.[9]

Tây Sơn ngũ thần mã, là biểu tượng nổi tiếng của các tướng lĩnh Tây Sơn, trong số này thì có ít nhất ba con là giống ngoại hãn huyết mã. Tây Sơn ngũ thần mã uy dũng được vinh danh trong cuốn Tây Sơn nhân vật chí của Đinh Sĩ An, sau khi nhà Tây Sơn diệt vong, chúng vẫn được người Bình Định tưởng nhớ và tôn thờ như linh thú.

Tượng binh Tây Sơn

Đây là một lực lượng mạnh trong quân đội Tây Sơn, tuy nhiên không rõ có tất cả bao nhiêu voi chiến, ước chừng vài trăm.

Nguyễn Nhạc sau khi lên ngôi vua đã tiến hành chỉnh đốn lực lượng tượng binh, quy định rõ ngạch voi, số đội và các quy định về quản lý, chăm sóc, huấn luyện voi. Theo đó, tượng binh được phiên chế thành các đội, mỗi đội có từ 30-40 con. Đội voi ở mỗi tỉnh có tầu (chuồng) riêng, được các quản tượng trông nom, tập luyện. Hằng năm, trong các đợt tập trận lớn, các đội voi thường được đem ra diễn tập cùng các lực lượng khác.[10]

Trong 5 đạo quân Tây Sơn từ phòng tuyến Tam Điệp-Biện Sơn tiến công quân Thanh đầu xuân Kỷ Dậu 1789 thì có tới 3 đạo quân sử dụng kết hợp tượng binh và kỵ binh, trên mỗi hướng tấn công đều có hàng trăm voi chiến tham gia.[10] Ước trong cuộc tấn công quân Mãn Thanh, 300 voi chiến đã được sử dụng,[11] riêng trận Ngọc Hồi, 100 voi chiến đã xung trận.

Trên mỗi voi chiến, ngoài người quản tượng còn có 3 đến 4 binh sĩ cầm vũ khí vừa bảo vệ voi vừa chiến đấu. Ngoài cung, nỏ, giáo cán dài,...tượng binh Tây Sơn còn được trang bị đặc biệt bằng đại bác, hỏa hổ và hỏa cầu lưu hoàng. Như theo Thánh Vũ Ký thì, quân Tây Sơn đều chở đại bác bằng voi mà xông ra trận. Khi Nguyễn Huệ đánh Ngọc Hồi, sử nhà Thanh có đoạn chép thêm: "đại doanh ta vỡ, bị đội voi chiến đốt cháy, vì trên lưng mỗi con voi, có 3-4 tên lính chít khăn đỏ, ngồi ném, tung hỏa cầu lưu hoàng ra khắp mọi nơi, đốt cháy cả người nữa".[12]

Thủy quân Tây Sơn

Thủy quân Tây Sơn[13][14] có 673 thuyền chiến, 53.250 lính (hạm đội của Vũ Văn Dũng, Thị Nại, năm 1801).

Về chức năng có hai loại thuyền:

- Thuyền lớn để chở quân, lương thực, hàng hóa khác.

- Thuyền nhỏ nhẹ và linh động đùng để bao vây, tấn công và xung kích.

Mô hình thuyền Định Quốc của thủy quân Tây Sơn, Bảo tàng Tây Sơn (Bình Định)

Thuyền chiến bao gồm năm loại:

- Chiến thuyền loại 1:[15]

9 thuyền, 700 lính thủy/thuyền, trang bị 60 đại bác, mỗi khẩu bắn đạn nặng khoảng 11 kg. Đây là minh chứng cho thấy hỏa lực và lực lượng thủy quân trên các chiến hạm Tây Sơn vô cùng mạnh mẽ và đông đảo. Thuyền cỡ lớn nhất Tây Sơn gọi là "Định Quốc" (giống như lớp tàu ngày nay), chính sử nhà Nguyễn gọi đó là loại thuyền Đại hiệu. Sách Hoàng Lê nhất thống chí mô tả thuyền Đại hiệu như một pháo đài di động, trên "lập chòi gác, đặt súng lớn".5 thuyền, 600 lính thủy/thuyền, trang bị 50 đại bác, mỗi khẩu bắn đạn nặng khoảng 11 kg.

- Chiến thuyền loại 2:

40 thuyền, 200 lính thủy/thuyền, 16 đại bác, cân nặng chỉ bằng một nửa, mỗi khẩu bắn đạn nặng tương đương 5,4 kg. Đây là loại chiến thuyền vừa lợi hại trong thủy chiến, tấn công có hiệu quả tàu chiến địch do tốc độ và hỏa lực, lại vừa vận chuyển binh lính nhiều, có khả năng tấn công địch ở mục tiêu xa.

- Chiến thuyền loại 3:

93 thuyền, 150 lính/thuyền, trang bị chỉ có 1 khẩu đại bác, song lại lớn hơn bất cứ loại đại bác nào khác, bắn đạn nặng khoảng 16,3 kg.

- Chiến thuyền loại 4:

300 thuyền, 50 lính/thuyền, 1 đại bác nhỏ.

- Chiến thuyền loại 5:

100 thuyền, 70 lính/thuyền.

Và nhiều loại thuyền chiến cỡ nhỏ khác.

Chiến thuyền loại 4 và 5 tuy nhỏ nhưng được đánh giá là rất lợi hại. Vì nhỏ dễ xoay xở, nếu ở sông sẽ chạy bằng chèo, số thủy thủ đủ để thay phiên nhau chèo; nên vừa thủy chiến trên sông hiệu quả, lại vận chuyển binh lính đánh tập kích địch từ xa.

Đến năm 1788, Nguyễn Huệ đã dứt tình với Nguyễn Nhạc ở phương Nam lại bị áp lực từ phương Bắc khi nhà Thanh chuẩn bị đem quân sang đánh, ông càng gấp rút tổ chức thuỷ quân để đối phó với tình hình ngày càng quyết liệt. Tổng binh Bảo được cấp thêm 16 đại thuyền nữa và phương tiện để tuyển mộ thêm quân. Barizy- một sĩ quan hải quân Pháp trong hàng ngũ quân Chúa Nguyễn, tường thuật về lực lượng của hạm đội Tây Sơn do Vũ Văn Dũng chỉ huy như sau: "Lực lượng này gồm có 673 chiến hạm đủ cỡ lớn nhỏ. Trong số này, có những chiến hạm lớn trang bị súng đại bác và thủy thủ đoàn nhiều hơn cả những chiến hạm lớn nhất kiểu Tây phương mà quân Nguyễn có". Trong một bức thư của Jeaptiste Chaigneau cho biết ở Quy Nhơn, thủy quân Tây Sơn có 54 tàu, 93 chiếc thuyền, 300 pháo hạm, 100 tàu buồm trang bị rất hùng hậu.[16]