汉代河西边塞的军事力量除了分布在各个城障亭燧由边郡部都尉统帅、以候望报警为主要职责的障塞戍卒外，还有其他军队与之互相配合。这些军队主要由驻扎在武威郡的边郡兵、屯兵系统、屯田兵、谪卒和刑徒组成。
武威郡郡守除了主持全军郡民政事务外，还要负责练兵、带兵作战等事务，因此太守又称为“将军”。《后汉书》中经常有武威太守负责军事防御和带兵作战的记载，如“（郑众）迁武威太守，谨修边备，虏不敢犯”，“三月，武都（威）太守赵冲讨巩唐羌，破之”，“以武威太守傅育领护羌校尉，马防行车骑将军，征西羌”。
按照汉朝的官职体系，每郡设有都尉，郡都尉是郡守的副官，负责在军事方面协助郡守。“郡尉，秦官，掌佐守典武职甲卒，秩比二千石。有丞，秩皆六百石。景帝中二年更名都尉”。除了设置有郡都尉之外，还在不同的防御区设置了部都尉。根据《汉书·地理志》记载，休屠设两都尉分治两区，即都尉治熊水障，北部都尉治休屠城。诸部都尉属官有丞、候、千人和司马。
都尉府以下设置有若干候官，其长官为“候”，秩比六百石，直接负责边郡守望的事务，候官的驻地为障。候官之下有尉，秩二百石，是主管边塞受侵扰的官吏。候官下属有燧长，燧是最基层的防御组织，其长官为燧长，大概有戍卒 3—5 人。戍卒的职责为侯望烽火、巡行边塞、修缮亭屋、堆积柴草等。
屯兵系统，主统率步骑，御敌战斗。置千人，又有骑千人，主骑兵，秩比六百石，属官有令史、士吏，千人下属有百人。雷台墓出土的一件铜车马就铸有“守左骑千人张掖长张君小车马”，但是雷台墓规格相当之高，不应该是“左骑千人”这样六百石的官吏。这件写有“守左骑千人”的铜车马有可能代表着墓主人生前曾经担任的官职，内蒙古和林格尔汉代壁画墓展示了墓主人生平经历和任职变迁，但也有可能是墓室陪葬者的器物。
屯田兵，是由农都尉统领的军事建制的屯田部队，一般规模较大。屯田兵的来源主要为编户齐民，也有谪卒和刑徒。屯田兵一般在没有战事的时候务农，在有战事的时候随军作战，所以他们身上兼有农民和士兵的双重身份。屯田的成果除了自给外，也是军粮的重要来源。武威地区也有大量的屯田兵，并设置有农都尉。敦煌悬泉汉简记载：“神爵二年……使领护敦煌、酒泉、张掖、武威、金城郡农都尉。”根据李并成的观点，至少现存有五处汉代边城遗址和军屯区。
武威都尉和北部都尉治所及屯区：汉代武威郡设有武威都尉和北部都尉。北部都尉治所在汉代休屠城，即在今天的凉州区四坝镇三岔村。武威都尉治所在熊水障，根据李并成的观点，熊水障应该在休屠城西 9 公里处一个名叫熊爪湖的地方，湖边数公里处即是洪祥滩汉墓群。休屠城和熊爪湖地处绿洲内部，如今这里四周都是农田，汉代屯区范围应该也在这里。
高沟堡及其屯区：高沟堡在汉代是一座屯防边城，二十里大沙应该是昔日汉代的军屯区。
九墩故城及其屯区：地处凉州区九墩镇东北 5 公里处，二十里大沙北部，东邻红水河。城中沙丘中的废弃耕地应该是汉代的军屯垦区。
民勤县三角城及其屯区：沙丘的丘间地上出露的风蚀古耕层硬地板清晰可见。
古城及其屯区：位于民勤县大滩镇，正方形，边长 120 米，古城丘间地也是风沙侵蚀的老耕区硬板地面，周围出土有汉代灰陶片、碎砖块等汉代遗物。
除此之外，汉代河西地区还有大量的编户齐民被招募入伍，募兵属于职业兵。大量的谪戍和刑徒也被遣送到河西戍边，武威郡这样的士兵应该不在少数。
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