В гнездовое время в Европейской России трёхпалый дятел встречается по всей лесной зоне, где есть хвойные древостои — от северной границы леса до южных лесных фрагментов. Населяет в основном еловые и смешанные леса таежного типа, предпочитает участки с усыхающими деревьями — ветровалы, окраины пожарищ, короедники. Взрослые птицы ведут оседлый образ жизни, кочуют только молодые. В зимнее время питаются в основном личинками насекомых, которых находят, обдирая кору. Часто обшелушивают засохшие ели, оставляя на очищенном от коры стволе характерные продольные бороздки.
На юге лесной зоны, где ельников мало или нет, биотопические предпочтения трехпалого дятла меняются. Так, в республиках Марий Эл и Мордовии, в ландшафтах с преобладанием сосняков, предпочитают держаться в пойменных и приручьевых лесах из черной ольхи, липы и дуба с небольшим участием ели. На юге Урала, по-видимому, приурочены к лесам с участием лиственницы.
Плотность населения трехпалого дятла нигде не достигает высоких значений. Зимой больше всего его на модельных территориях в северной и средней тайге и в южной тайге Урала, особенно в заповедниках, где сохранились старые ельники. Здесь в отдельные годы плотность населения доходит до 7–10 особей на 1 кв. км; но средние значения по 10–12 летним периодам в хвойных и смешанных лесах не превышают 2–3 особи. В подзонах южной тайги и хвойно-широколиственных лесов, в центральном и восточном секторах, средние многолетние показатели обилия составляют 0,1–0,9 особи на 1 кв. км. Южнее и западнее трехпалые дятлы редки и распределены неравномерно: на одних территориях практически отсутствуют, на других встречаются регулярно; средние по годам показатели обилия здесь обычно меньше 0,1 особи на 1 кв. км.
Многолетняя динамика численности трехпалого дятла различна в разных регионах. Так, в Подмосковье количество дятлов заметно увеличилось в последние 2 десятилетия, после 2000-го года, по сравнению 1970–1990-х годами. В значительной степени этот рост, вероятно, обусловлен массовым усыханием еловых лесов из-за повреждения короедом-типографом. Похожая динамика наблюдалась и на модельной территории в южной тайге Костромской области. В центральном меридиональном секторе северной и средней тайги показатели вначале увеличивались, а затем снизились вновь; максимальные значения отмечены в 2001–2011 годах. На Урале, в Висимском и Башкирском заповедниках больше всего дятлов учтено в 1980–1990-х годах, затем обилие их уменьшилось. Подобная же динамика, вероятно, характерна и для юго-востока равнинной части лесной зоны — модельных территорий в республиках Марий Эл и Мордовии. В целом же для лесов Европейской России тренд динамики численности оказался стабильным.
По данным, собранным при подготовке «Атласа гнездящихся птиц Европейской России», численность трехпалого дятла на территории ЕР в 2010–2018 годах оценивается примерно в 250 тыс. пар (при подсчете по средним для квадратов значениям). Этот показатель значительно ниже, чем цифры, полученные по данным 30-40 летней давности (Е.С. Равкин, Ю.С. Равкин, 2005). Возможно, различия носят методический характер и обусловлены разными способами оценки численности. По результатам экстраполяции на основе зимних учетов, численность трехпалого дятла в лесах ЕР составляла в 1987–2000 годах в среднем около 400 тыс., в 2001–2011 г. около 600 тыс., и в 2012–2023 г. около 300 тыс. особей.
