史書上沒有記載桃園結義。《三國誌·關羽傳》記載，關羽亡命奔涿郡，劉備正在鄉里聚合徒眾，關羽、張飛便投其門下。後來劉備為平原相，又以羽、飛為別部司馬，分統部曲，劉備和二人「寢則同床，恩若兄弟」。關羽經常於稠人廣坐，侍立終日，後來徐州失守，關羽被擒，曹操派人勸降，關羽也說：「吾受劉將軍厚恩，誓以共死，不可背之。」《三國誌-張飛傳》也記載：「張飛……少與關羽俱事先主，羽年長數歲，飛兄事之。」《三國誌-劉曄傳》也說：「且關羽與備，義為君臣，恩猶父子。」
以上史料足以說明兩個問題：一則劉關張三人關係親密的「恩若兄弟」;二則是「恩若兄弟」而非結拜兄弟，史料也無結義之說。
桃園結義傳說來自於民間。 《三國誌·關羽傳》中記載;「......恩若兄弟」，後人根據這一記載，加以想像發揮，民間便有了桃園結義的傳說，而元人則根據民間傳說把故事寫進了《三國誌平話》和雜劇。一般認為，《三國演義》成書於元末明初。在這之前，元代至治年間刊行的《全相平話五種》之一的《三國誌平話》，雖然只有8萬字，但已初步具有《三國演義》的主要輪廓。其中就有「桃園結義」一節，先是關羽殺了貪財好賄、酷害黎民的本縣縣令，逃往涿郡，張飛見他狀貌非俗，談吐有志，遂邀至酒店共飲。恰好劉備賣履後也進了酒店，幾杯酒共飲之後，三人情投意合，遂共邀至張飛莊後桃園，各序年甲，「宰白馬祭天，殺烏牛祭地」，「同行同坐同眠，誓為兄弟」。這與《三國演義》的描寫已大同小異。據傅惜華《元代雜劇全目》統計，以三國故事為題材的元人雜劇已有四十多種，幾乎是三國的主要人物都被搬上了戲劇舞台，對《三國演義》的成書也起了重要作用。其中也有專門的《劉關張桃園三結義》一齣戲，情節與《平話》又有不同，寫關羽殺了趁亂圖謀立為王的州尹，逃到涿郡范陽，一日到張飛的肉店買肉下酒，屠刀卻被張飛事先用千斤巨石壓住。關羽搬動巨石，讓張飛欽佩不已。張飛往客店相訪，先拜關羽為兄，後又遇見劉備，見他容貌堂堂，有富貴之相，又是帝王后裔，於是與關羽共拜備為兄，三人共到城外桃園，殺牛宰馬，祭告天地，誓共生死，同扶漢室。
桃園結義的故事，也有現實生活的影子。三國時代有殺白馬為盟的習俗。建安七年(202)，曹操攻破南皮，殺了袁譚。袁熙的部將焦觸、張南背袁向曹，他們起事時，就是殺白馬盟誓。這事見於《三國誌·袁紹傳》。不過這只是盟誓，並不是結拜兄弟。後來很多農民起義的頭領在起事結拜兄弟時就用這種形式。比如，元代劉福順等人的紅巾起義，《元史·順帝本紀》描寫他們結義的情況就是「殺白馬烏牛，誓告天地，欲同起兵為亂」。
桃園結義是傳說與智慧的結晶。《三國演義》寫桃園結義，是根據民間傳說，又吸收農民起義的事跡，可能還與作者自身經歷有關。據魯迅考定，《三國演義》作者羅貫中約生活在1330-1400年間。他的生平事跡多不可考，有說他是太原(今山西太原)人，有說他是東原(今山東東平)人，有說他是錢塘(今浙江杭州)人。只知道他生逢亂世，閱歷豐富。值得注意的還有兩點：一是明王圻《稗史彙編》說他是「有志圖王者」，一是清徐渭仁等所繪《水滸一百單八將圖題跋》說他曾與元末農民起義領袖之一張士誠有關係。他現存有雜劇《趙太祖龍虎風雲會》，小說除《三國演義》外，還寫有《小秦王詞話》、《隋唐志傳》、《殘唐五代史演義》、《三遂平妖傳》，並參加編寫了《水滸傳》，這些小說戲曲作品，都以亂世英雄事跡為題材，這與他的經歷抱負當有關係。《三國演義》的大量描寫，特別是對桃園結義的描寫，也應與他的這種經歷有關。
總之，從上面的分析來看，桃園三結義的故事具有虛構性，但是不管有多種版本虛構這個故事，我們可以看出來，所有的版本包括史書的記載至少對三個人的義氣相交、互幫互助、精誠團結的特點是認可的。《三國演義》普及民間，滲透到社會各個階層時，膾炙人口的桃園結義開篇故事，就變成人們口中話題而津津樂道。從《三國演義》全書的藝術構思來說，寫桃園三結義，既引出全書的三位主要英雄，又揭示全書將要從多方面加以表現的忠義主題。這可能也是羅貫中在《演義》開篇寫桃園結義的一個緣由。