史书中尽管对木牛形象作了描绘，并且下文还对流马的部分尺寸作了记载，但是因为没有任何实物与图形存留后世，多年来，围绕着木牛、流马，人们作过许多猜测。
《三国演义》第一百零二回中，有诸葛亮制造木牛流马的描述：忽一日，长史杨仪入告曰：“即今粮米皆在剑阁，人夫牛马，搬运不便，如之奈何？”孔明笑曰：“吾已运谋多时也。前者所积木料，并西川收买下的大木，教人制造木牛流马，搬运粮米，甚是便利。牛马皆不水食，可以昼夜转运不绝也。”众皆惊曰：“自古及今，未闻有木牛流马之事。不知丞相有何妙法，造此奇物？”孔明曰：“吾已令人依法制造，尚未完备。吾今先将造木牛流马之法，尺寸方圆，长短阔狭，开写明白，汝等视之。”众大喜。
紧接着介绍了制造木牛之法：方腹曲头，一脚四足；头入领中，舌着于腹。……每牛载十人所食一月之粮，人不大劳，牛不饮食。造流马之法：肋长三尺五寸，广三寸，厚二寸二分……众将看了一遍，皆拜伏曰：“丞相真神人也！”
司马懿听说后，派人去抢了数匹木牛、流马，并将这些木制的牛马拆卸开来，描图画形加以仿造，不到半月，竟也造出了千余匹，一经使用，也与蜀军所造效果一样，奔走进退如活的一般。于是，魏军也用它们去陕西搬运粮草，自以为得计，“往来不绝”。岂不知，这恰恰中了诸葛亮之计。原来，表面上看，魏军造的木牛流马与蜀军所造几无二致，但在这些牛马的口舌之内却有诀窍机关。当诸葛亮发现魏军开始用他们仿造的木牛流马搬运粮草时，不由得心中一阵暗喜，便派大将王平带领名士兵以魏军打扮混入运输队，暗中将木牛、流马口中舌头扭转，使牛马便不能行动。正当魏兵怀疑为怪物时，诸葛亮又派五百名士兵装扮成神兵，鬼头兽身，用五彩涂面，一边燃放烟火，一边驱牛马而行。魏兵目瞪口呆，以为诸葛亮有神鬼相助，也不敢追赶，诸葛亮就这样轻而易举地获得许多粮草。这么神奇的运输工具，能够“人不大劳，牛不饮食”，在当时可算是巧思绝作了，因而有诗赞曰：“剑关险峻驱流马，斜谷崎岖驾木牛。后世若能行此法，输将安得使人愁？”然而根据现在的质量守恒定律，木牛流马类似于永动机，这是不符合历史规律的，所以不少人认为，所谓木牛、流马纯系小说家的杜撰。
然而根据史书记载，诸葛亮确实制造过木牛、流马。《三国志？诸葛亮传》记载：“（建兴）九年（），亮复出祁山，以木牛运，粮尽退军……十二年春，亮悉大众由斜谷出，以流马运，据武功五丈原，与司马宣王对于渭南。”尽管上述记载没有《三国演义》描绘得那么神奇，但也可以从中看出诸葛亮以木牛、流马运粮的历史事实。那么，木牛、流马究竟什么样的机械呢？《诸葛亮集》中的一段文字，应该是可靠的资料：“木牛者，方腹曲头，一脚四足，头人领中，舌著于腹。载多而行少，宜可大用，不可小使；特行者数十里，群行者二十里也。曲者为牛头，双者为牛脚，横者为牛领，转者为丰足，覆者为牛背，方者为牛腹，垂者为牛舌，曲者为牛助，刻者为牛齿，立者为牛角，细者为牛鞅，摄者为牛鞭轴。牛仰双辕，人行六尺，牛行四步。载一岁粮，日行二十里，而人不大劳。”这段记载，尽管对木牛形象作了描绘，并且下文还对流马的部分尺寸作了记载，但是因为没有任何实物与图形存留后世，多年来，围绕着木牛、流马，人们作过许多猜测。
一种意见认为，木牛、流马都是经诸葛亮改进的普通独轮推车。这种说法，源自《宋史》、《后山丛谈》、《稗史类编》等史籍，认为木制独轮小车在汉代称为鹿车，诸葛亮加以改进后称为木牛、流马，北宋才出现独轮车的称呼。这两种独轮车都很独特，其车形似牛似马，具有独特的运输功能。木牛有前辕，引进时人或畜在前面拉，人在后面推。而流马和木牛大致相似，只是没有前辕，行进时不用拉，仅靠人推。值得一提的是，三国时蜀汉偏处西南一隅，马匹有限，并且多被用于骑兵作战。运粮运草主要靠人力，这样，木牛流马便应运而生，发挥了很大的作用。这种说法还以四川渠县蒲家湾东汉无名阙背面的独轮小车浮雕等实物史料为佐证，认为这些东汉的独轮车，都再现了木牛、流马的模样。但是，有人对此颇有微辞，认为四轮车与独轮车的机械原理十分简单，无须大书特书，诸葛亮的本领也不至于如此平庸。
还一种意见认为，木牛、流马是新款的自动机械。《南齐书？祖冲之传》说：“以诸葛亮有木牛流马，乃造一器，不因风水，施机自运，不劳人力。”意思指祖冲之在木牛流马的基础上，造出更胜一筹的自动机械。以此推论，三国时期利用齿轮制作机械已属常见，后世所推崇的木牛流马，不可能是汉代已有的独轮车，很有可能是令祖冲之感兴趣的、运用齿轮原理制作的自动机械。然而遗憾的是并无实物留于后世。
第三种意见认为，木牛、流马是四轮车和独轮车，但是何者为四轮，何者为独轮却观点截然相反。宋代高承《事物纪原》卷八认为：“木牛即今小车之有前辕者；流马即今独推者是，而民间谓之江州车子。”而范文澜则认为，木牛是一种人力独轮车，有一脚四足。所谓一脚就是一个车轮，所谓四足，就是车旁前后装四条木柱；流马是改良的木牛，前后四脚，即人力四轮车。虽然它们的尺寸与古代的木牛流马不相同，但工作原理差不多：木牛的载重量比较大，行进缓慢，比较适宜在乎缓的道路上运行；流马则是专门用于山区运输的工具。并推测，当年诸葛亮北伐曹魏，所需粮草需要从遥远的川西平原运到秦陇地区，沿途既有平原也有山地。尤其是出川的“蜀道”，艰险崎岖，沿江的许多栈道是在峭壁上开凿的，又窄又险，有的只有一米多宽，也只能容纳‘流马”这种独轮车通过。这两种完全相左的论断，我们也没法评判哪一种正确。
还有一种争论更有意思，即木牛和流马究竟是一物还是两物。全国知名的研究三国史专家谭良啸认为，木牛和流马为一物，是一种新的人力木制四轮车；新疆大学机械工程学院高级工程师王湔也认为，二者同属一物，并制造出一种具有牛的外形、马的步态的模型。王开则认为，木牛与流马是两种东西，前者是人力独轮车，后者是经改良的四轮车。同济大学园林建筑专家陈从周等则勘察了川北广元一带现存古栈道的遗迹，掌握了宽度、坡度及承重等数据，认为二者乃二物：木牛有前辕，引进时有人或畜在前面拉，后面有人推；流马与木牛大致相同，但没有前辕，不用人拉，仅靠推力行进，外形像马。
上述几种观点，不一而足，究竟哪一种说法最符合木牛流马的原貌，至今仍难以评说。近日，四川省博物馆文物修复专家李刚把多块碎陶片复原成一辆完整的三轮马车，该车的断代在东汉与三国之间。他认为就是历史上传说的诸葛孔明的木牛流马。这辆是一件殉葬品，只有实物三分之一大。高米，车厢高米，全长米。该车有很多先进之处。首先，一般马车只有两个轮子，这样，马不仅要费力拉车，还要承担车身的重量；而三轮马车的出现减轻了马的承重负担，增加了马车的稳定性，让它的牵引力更大，从而运送更多更重的货物。其次，传统二轮马车的车身和马之间靠“辕”连接，“辕””的长度注定了马车转弯半径大，不适合在狭窄的山路上行走；而三轮马车在前面的轮子和后面的车厢之间有个“转向器”，适合在狭窄山路上转弯。不过对于“人不大劳，牛不饮食”，李刚也不能解释清楚。诸葛亮如果九泉之下有知，一定会后悔当初没有留下详细的制作图解。