Dzięcioł trójpalczasty zamieszkuje szeroki pas lasów borealnych Eurazji aż po Kamczatkę, Pacyfik i Ameryki Północnej. W Europie nie zajmuje tylko północnych jej części. Znaleźć go też można w Alpach, Bałkanach i Karpatach (podgatunek alpejski – P. t. alpinus występujący również w Japonii i północno-wschodniej Korei). Te lokalne tereny lęgowe mogą pochodzić z ostatniej epoki lodowcowej, kiedy to gatunki typowo północne podążały na południe wraz z wycofywaniem się tam lasów borealnych. Gdy lodowiec ustąpił w wyniku ocieplenia klimatu pozostały te populacje, które zajęły wysokie góry, gdzie klimat był podobny do terenów północnych. Dzięcioł trójpalczasty może zalatywać znad swych terenów lęgowych do najbliższych państw np. do Niemiec, Francji i północnych Włoch. Znalezienie jednak tego ptaka w południowej części Europy jest trudne, gdyż nawet w złych warunkach pogodowych nie opuszcza on swoich rodzinnych terenów. Zasięg podgatunku tajgowego od Norwegii i Uralu ciągnie się po góry Ałtaj, północną Mongolię, Sachalin i Mandżurię. Wyróżnia 5 podgatunków.
W Polsce bardzo nieliczny, lokalnie nieliczny. Jako borealny ptak lęgnie się w górach (Karpaty od Babiej Góry po Bieszczady, choć najliczniej w Tatrach i Beskidzie Niskim – podgatunek górski) i na północnym wschodzie, zgodnie z zasięgiem świerka (m.in. Puszcza Białowieska, gdzie znajduje się 10% polskiej populacji podgatunku tajgowego). Oprócz tego dzięcioły te spotyka się w Puszczy Knyszyńskiej, Boreckiej i Augustowskiej, choć nielicznie. W Polsce występują dwa podgatunki, przy czym górski jest ciemniejszy i ma czarne plamy na białym grzbiecie, a spód ciała gęściej prążkowany.