Большинство иностранных авторов склонны были считать, что на тот период Московское государство располагало армией в 200–300 тыс. человек и более. Цифра явно завышена не менее чем в два раза. Недостоверность иностранных сообщений о численности русского войска объясняется главным образом тем, что их авторы пользовались сведениями частных лиц, а, возможно, были специально введены в заблуждение русскими официальными лицами, стремившимися устрашить европейцев многочисленностью своей армии.
Более осторожным в сообщении сведений о вооруженных силах России был служащий английской Московской компании Джером Горсей. Не упоминая о численности русской армии, сосредоточенной на западных границах, он писал, что это войско состояло из татар и «использовалось в борьбе против королей Польши и Швеции, войсками которых он был теперь окружен, в войне за Ливонию (Liolande), которую он прежде разорил и завоевал столь жестоко; другая армия, состоявшая, как правило, из ста тысяч конницы его подданных, за исключением немногих поляков, шведов, голландцев (Duch) и шотландцев, сражалась с его большим врагом — крымскими татарами».
Проанализировав эти сообщения, С. М. Середонин пришел к выводу, что в составе московского войска находилось около 75 тыс. дворян, детей боярских и их слуг, не больше 10 тыс. татар, 20 тыс. стрельцов и казаков, 4 тыс. иностранцев — всего около 110 тыс. человек, не считая даточных и посошных людей.
Некоторым подтверждением выводов Середонина могут служить официальные сведения о численности русского войска в походах. Так, в полоцком походе 1562/1563 г. участвовало около 60 тыс. человек (с холопами) и более 80 тыс. посошных людей. А. В. Чернов, согласившись с этими цифрами, отмечал, что «мобилизация от 35 до 55 процентов всей численности боевого состава русского войска для указанных крупнейших походов второй половины XVI в. — явление вполне реальное».
В последнее время попытку опровергнуть устоявшееся в науке представление о численности московской армии предпринял С. М. Каштанов. Использовав разрядные записи, содержащие сведения о составе войск, участвовавших в походах на Полоцк 1562/1563, 1577 и 1579 гг., исследователь сделал вывод о том, что они потребовали «мобилизации всех боеспособных сил», совершенно оголив другие границы. По его мнению привлеченные к военным действиям в эти годы «30–40 тыс. воинов — это не половина или какая-то иная часть русской армии, а практически вся или почти вся армия XVI в.». При этом Каштанов полностью игнорирует сообщения источников о ежегодном выдвижении на юг полков, о строительстве на «украйне» новых городов, прикрывать которые должны были выступавшие в степь войска, о высылке ратей для поддержания порядка в неспокойной Казанской земле. Граница на юге была оголена только в 1580 г., после успешных действий Батория под Полоцком и Великими Луками, когда на запад были переброшены ратные люди, входившие в состав служилых корпораций Пронска, Орла и Переяславля-Рязанского. Не учтенными остались гарнизонные войска, традиционно многочисленные в Московском государстве. Каштанов не случайно занизил численность русской армии. Определив ее состав в 40 тыс. человек, он в соответствии с существующими методиками умножает их на 10 дворов, с которых, как правило, брали ратников, а затем еще на 5 (среднее число жителей двора) и получает в итоге 2 млн. человек населения страны в середине XVI. Ниже он отчасти откорректировал свои выкладки, утверждая, что «в середине XVI в. в России проживало 3 млн. человек, а накануне Смуты — 4,5 млн. человек». Такая манипуляция цифрами чрезвычайно опасна, так как позволяет утверждать об отсутствии значительных людских потерь во время Великого голода 1601–1603 гг., казачьих бунтов и восстаний, польско-литовской и шведской интервенции начала XVII в.
На протяжении всего изучаемого периода в московской армии и по боевому значению и по численности первое место занимала конница, однако, начиная с середины XVI в., неуклонно росла численность пехотных частей (стрелецких приказов, и казачьих подразделений, а с 30-х гг. XVII в. — солдатских полков) и служилых людей «пушкарского чина».