公元220年至589年，中国历史进入三国两晋南北朝时期，这是一个大分裂、大融合的时期。220年起，原来汉帝国的疆域内形成了魏、蜀汉、吴三国鼎立的局面，265年司马炎建立的西晋取代了魏，280年重新实现了全国的统一。317年，西晋在北方少数民族的进攻下灭亡，短暂的统一宣告结束，中国重装甲马作战图境内由此长期处于分裂割据状态。在中国南部，316年司马睿在建康（今江苏省南京市）称帝，重建了晋王朝，史称“东晋”，直至420年被刘宋取代。与东晋大体同期，在我国的北方、西北方和西南地区有汉族、匈奴、鲜卑、羯、氐、羌等民族建立的十多个国家，史称“十六国、时期”。420年，刘裕建立宋代替了东晋，此后至589年在中国南方先后出现齐、梁、陈，历史上称为“南朝”。439年，北魏统一了中国的北方地区，而后又经历了北魏、西魏、北齐、北周，历史上称为“北朝”。到581年，杨坚建立的隋取代了北周，589年消灭了陈，结束了南北朝的对立，也结束了长期的分裂局面。
这三百七十多年间，最值得注意的是，虽然中国境内的王朝、政权既有汉族建立的，也有少数民族建立的，但都以“中华正统”自居，大多以统一全国为己任。三国时期，魏、蜀、吴鼎立，又都把秦汉时的中国疆域视为自己应当管辖的范围，力图打破牵制、平衡的格局，实现全国范围内的统一，魏、蜀尤其如此，刘氏建立的蜀汉政权更是多次北伐、力图统一；西晋以所谓的“禅让”的办法从曹魏手中取得江山，而灭亡西晋的匈奴族首领刘渊则表示自己是汉朝刘氏的外甥，更有资格成为“中华正统”的继承人，他祭祀汉朝的高祖刘邦、文帝刘恒、武帝刘彻、光武帝刘秀、昭烈帝刘备等皇帝，以表明自己的正统地位。南北朝时期，南方的汉族政权以“正统”自居，不断北伐，力图收复故土家园；北方的北魏、东魏、西魏等政权也不甘心居于“夷狄”的地位，在政治、经济、文化等方面与汉族政权区别不大，也强调要统一“戎”和“华”。这表明了这一时期的特点，即民族融合加速，“中华一体”观念深化，分立阶段各政权力图统一，统一王朝则希望维护统一。在这一大前提之下，随着形势的变化，这一时期的中国疆域在汉帝国疆土的基础上也有所盈缩：
统万城城墙遗址东北边疆。东汉末年公孙度割据辽东、乐浪、玄菟三郡，西击乌丸（又称乌桓），东伐高句丽，自立为辽东侯、平州牧，把辽东郡分为辽东、辽西、中辽三郡，还渡海占据今天山东半岛的部分地区设立营州刺史。公孙度死后，他的儿子公孙康即位，又在朝鲜半岛上继续向南发展，在乐浪郡以南设立了带方郡，治所就在今天朝鲜黄海北道的沙里院以南。此后，公孙恭、公孙渊相继统治这些地区，直到238年被曹魏政权消灭。曹魏在公孙氏统治的地区设置了平州，统领辽东、乐浪、玄菟、带方四郡，又设置东夷校尉掌管东北地区夫余、高句丽等部族的事务。西晋时期，这些地区仍在中原王朝的统治之下。十六国和北朝时期，朝鲜半岛南部的马韩夺取了带方郡，高句丽、鲜卑等少数民族也建立了自己的政权，中原王朝在朝鲜半岛上设立正式政区的历史至此结束。随着高句丽的强大，辽东、玄菟、乐浪三郡都成为其辖地，后来还从北魏夺取了辽水以东地区，成为当时中国东北地区强大的边疆民族政权。
东南、南部边疆。东汉三国之际，今天的广西东部、广东和越南北部、中部地区为交州之地，在士燮兄弟的控制之下，210年至226年孙权利用他们统治着这一地区。226年以后，孙吴对交州实行直接管理，曾把交州划分为交州和广州，还在海南岛上设立了珠崖郡。280年，西晋灭吴，继续管辖交、广两州。317年以后，东晋和南朝的宋、齐、梁、陈继续统治这些地区。当然，从东汉末年至南朝时期，由于林邑的兴起和北侵，交州南部的日南郡被林邑逐步侵吞，孙吴、东晋、南朝的疆土也由汉朝强盛时的北纬14°逐渐退缩到北纬18°一线。此外，孙吴政权对台湾的经营也值得关注。230年（吴黄龙二年）孙权派将军卫温、诸葛直率军万人渡海前往夷洲，历时一年左右，80%以上的士兵不服水土，因疾病、瘟疫而死，返回时从那里带回了一千多夷洲人。夷洲就是今天的宝岛台湾，尽管孙吴政权没有在台湾设置郡县，但增加了内地对台湾的了解，为今后大陆与台湾的经济文化交流打下了基础。
西南边疆。在三国时期，今天的四川西南、贵州西部和云南称为“南中”，在蜀汉的统治之下。孙吴政权对这一地区也虎视眈眈，几度与蜀汉展开争夺。为控制西南边疆，稳固后方，蜀汉极力经营南中，诸葛亮率军征讨，对于在南中各部威望很高的大姓孟获七擒七纵，终于平定了南中，而后设立建宁、云南、兴古等郡，任命官吏，发展生产，进一步稳固了西南边疆。263年曹魏灭蜀汉，265年西晋取代曹魏，这一地区又成为曹魏、西晋的西南边疆。271年（晋泰始七年），西晋设立宁州，管辖原来益州的建宁、云南、兴古三郡和交州的永昌郡，282年又撤销宁州建制，四郡统归益州管辖，并设南夷校尉掌管南中少数民族事务。302年（晋太安元年），西晋重新设立宁州，南中地区归该州管辖。西晋末年，李特、李雄建立的成汉控制了西南地区，南中也是这一政权辖区的一部分。347年，成汉被东晋灭亡，此后南中地区始终在东晋、宋、齐的管辖之下。梁武帝时期发生侯景之乱，当地官吏奉命率军救援建康，当地大姓乘机脱离梁朝，此后南朝无法在南中维持统治了。
西北边疆。曹魏政权在东汉之后继续管辖雍州西部、凉州以及西域地区，平息了各地方势力的叛乱，派官吏管理雍州、凉州各地，又设置戊己校尉、西域长史府管理广大的西域地区。西晋时期，在雍、凉两州之地又增设秦州，在西域仍设戊己校尉和西域长史府，行使有效的行政管辖。十六国时期，西北边疆地区出现了前凉、后凉、南凉、西秦、北凉、西凉等政权。439年（北魏太延五年），北魏灭北凉，而后北魏、西魏、北周在这些地区建立统治，但460年高昌在今天吐鲁番盆地地区独立建国，直至640年才被唐朝消灭。
北部边疆。三国初期南匈奴迁入今天山西北部，河套和大漠南北是鲜卑等民族的游牧之地，曹魏、西晋初年的北部边疆大致在今天六盘山、黄河、吕梁山、桑干河一线。八王之乱以后，北方的匈奴、氐、羯、鲜卑、羌、乌桓等纷纷内迁，而后建立了自己的政权。在当时的北部边疆，鲜卑拓跋部建立的代国、匈奴铁弗部建立的夏国统治着今天的内蒙古、山西北部、宁夏和大漠南北，疆土比东汉后期、曹魏和西晋都有所扩展，北魏统一北方以后继续统治着这些地区。东魏、西魏和北齐、北周分立时期，柔然、突厥等先后兴起于北方，控制了大漠南北的广大地区，中原政权的北部边疆地区有所退缩。
三国两晋南北朝是当时中国境内民族大融合的时期，北方地区有不少边疆民族迁到内地，建立了自己的政权，西晋就是被汉化了的匈奴人刘渊灭亡的，再加上十六国时期的政权多数为匈奴、氐、羯、鲜卑、羌所建，所以带有大汉族主义情结的旧史家称之为“五胡乱华”。其实，这一时期内迁的边疆民族并不止这五个，而且仍有许多民族生活在边疆地区，东北边疆有高句丽、勿吉、夫余等，东南边疆有遍布今天福建、浙江、江西等的山越和夷洲（今台湾）的各民族，西南边疆有氐、叟、昆明、濮等民族，西北、北部边疆有匈奴、乌桓、鲜卑、柔然、突厥以及西域地区的龟兹、鄯善、高昌等部族。