虽然抛石机发明于战国时期，但真正得到推广是在两汉时期，更具体一些可能是在两汉之交的王莽之乱对汉代军事技术产生了促进作用。因为目前的史籍记载基本始于东汉初。
东汉第二任皇帝汉明帝时（公元28年－75年），名儒贾逵献其所注《春秋左氏解诂》，书中注释《左传》“旝动而鼓”一句时说，“旝为发石，一曰飞石”；而在此后不久成书的许慎所著《说文解字》中也提到，“旝，建大木，置石其上，发以机，以磓敌也”。这两个记载虽不能说明春秋时期已经发明抛石机，但可见在东汉初，抛石机应用已相当广泛。三国学者张晏注解《汉书·甘延寿传》时引用了《范蠡兵法》“飞石重十二斤，为机发，行二百步”的说法，也就是说在三国之前，《范蠡兵法》已流传于世。范蠡是战国时期越国名臣，通常认为《范蠡兵法》是汉时之人托其名所作。但从另一个角度来看，这个记载提供了汉朝时抛石机的性能数据，即可以将约2.7公斤的石制弹丸，抛出约280米远。这个弹重与射程说明当时使用的抛石机形制不小。因为在唐宋时期，大致相同性能的抛石机至少需要数十名拽砲手来提供动力。
汉末至三国，诸侯之间的争霸刺激了对武器的市场需求。公元200年的官渡之战中，袁绍的军队筑土山并修建木质楼橹，居高临下朝敌对的曹军阵营放箭。因对手占据地利，处于劣势的曹军连在营中走路都得举着盾牌。“绍为高橹，起土山，射营中，营中皆蒙楯而行”（《后汉书》）。曹操聚谋士讨论对策，刘晔献计以抛石机应对。于是曹操命工匠连夜制造“发石车”数百架，隐蔽在营中各处并瞄准袁绍军的楼橹。次日，袁军登楼射箭时，曹军砲兵在敌方箭矢射程外猛烈发射，密集石弹将袁军所有木楼砸毁，一举打破了袁军的“火力封锁线”。因曹军抛石机命中目标后会迸发出巨大的声响，故而心惊胆颤的袁军敬畏地称其为“霹雳车”，“发石车击绍楼，皆破，绍众号曰霹雳车”（《三国志》）、“以其发石声烈震，呼之为霹雳”（《资治通鉴音注》）。
魏景初二年（公元238年），司马懿奉曹操之孙曹睿之命统军征讨割据辽东的公孙渊。在襄平之战中，司马懿命魏军“发石、连弩射城中”、“矢石雨下，昼夜攻之”，猛轰襄平城，最终迫使叛臣公孙渊开城投降，从而一举平定了辽东地区。魏甘露二年（257年），司马懿之子司马昭率军围攻据守寿春（今安徽寿县）的叛将诸葛诞（诸葛亮族弟），诸葛诞军大造攻具突围，魏军“临高发石车、火箭，逆烧破其攻具，矢石雨下，死伤蔽地，血流盈堑”（《资治通鉴》）。诸葛诞军大创而无力突围，引发内讧，人心涣散。魏军趁势攻城，击杀诸葛诞，攻下了寿春城。
西晋代魏而立后又灭孙吴，结束汉末三国分裂的局面，但仅数十年便又陷入***。自东晋十六国至隋灭南陈结束南北朝的300年间，朝代更迭，社会动荡不安，但战乱频繁客观上促进了军事领域的发展。
这期间，抛石机作为一种强力远程武器越加得到重视。如《宋书》、《陈书》、《梁书》、《周书》、《北史》、《隋书》等史籍都记载了大量抛石机作战的案例。如东晋名将陶侃于广州平叛时使用了“发石车”。347年时，后赵军队攻打前凉***⒑保ń窳傧模┦褂昧恕氨⒊怠保κ侨∈氯绫⒅狻66年，刘宋豫州刺史殷敬珉据寿阳叛乱，宋明帝遣军平叛，寿阳叛军以“碻车”、“击之以石”，摧毁了平叛军载土填壕的“虾蟆车”。573年，陈朝军队北伐攻打历阳，以“拍车”打碎了历阳守军的城楼。
除了史籍记载外，还有两则比较特殊的史料：公元421年，北凉王沮渠蒙逊请印度僧人昙无谶到姑臧（今甘肃武威）翻译佛经。昙无谶所译数部佛经中之《佛所行赞》品第二十八（章）描叙佛祖如来涅槃后，印度八王争夺佛舍利，拘尸那迦城守卫的力士使用了“弓弩扌勉（繁体字，通‘挽’）石车”以对抗攻城的七王军队。当时昙无谶译经是由其口传而由中国僧人慧嵩笔受（指用笔记述别人口授的话）译成汉语。而《佛所行赞》的异译本《佛本行经》和敦煌、高昌出土关于八王分舍利故事的壁画均没有提及“扌勉（繁体字）石车”，因此可知慧嵩笔译《佛所行赞》时实际参考了当时中国的战争常态。
另一则是一件敦煌古残卷。清末1899年初夏，敦煌鸣沙山千佛洞第288号石窟发现总数达两万多卷九百多年前的藏书和绢画。绝大多数是写本，一小部分是木刻本，均以长卷的形式收藏，年代从公元四世纪末到十世纪初，被称为敦煌石室藏书。不久，这批珍贵文献被英国人斯坦因（m.a.stein）劫走九千余卷，法国人伯希和（p．pilliot）劫走五千余卷，至今流散欧洲。其中一件由法国巴黎国家图书馆收藏，编号为pelli01：．2667的敦煌古残卷，即著名的《甲种敦煌算书》，经中国社会科学院郭正忠先生考证（一部失落的北朝算书写本——《甲种敦煌算书》研究），约成书于南北朝北周割据政权统治敦煌时期（557年—581年）。书中涉及南北朝时期经济、军事、建筑、织造，及社会生活等多方面的历史题材，具有较高的研究价值。原件仅存61行另10字，包括一道残题在内，共13题，军事题材占约62%。
其中的第九题便涉及到了牵引式杠杆抛石机，即题中的“石车”：“今有城，周回十八里，四面有门，门有二楼，有四角，角有一大楼，一十五小楼。二步置一弩，卅（30）步置一方梁，六十步置一石车（即抛石机），五步置一钩。大楼上着卅人，一小楼着廿（20）人，弩着三人，一方梁着八人，石车置廿人，一钩二人，又欲一步着战士一人，问凡用兵几何？”答：“曰：一十二大楼用人四百八十六个，小楼口口二百。二百七十张弩用人八百一十，一百卅五个方梁用人一千八十，九十个石车用人一千八百，一千八十枚钩用人二千一百六十人，五千四百步用人五千四百”（原文有缺，郭正忠先生在其《〈甲种敦煌算书〉的考校与释补》一文中进行了补校）。这道题假设了一个周长18里的城池，一里是300步，其中60步设置一架抛石机进行防御，全城共需90架，每架需20名砲手，合共1800人。这个人数在全城总12930人的防御兵力当中占据了约14%，可见抛石机在当城防体系中的重要性。
公元577年，北周灭北齐，统一北方。581年，北周权臣杨坚篡位称帝，改国号为隋。589年灭南陈，统一全国。但杨坚的继任者隋炀帝杨广好大喜功，使隋两代而亡，陇西李氏代隋而立，建立唐朝。杨广三征高句丽是导致其亡国的主因，可以说是赔了夫人又折兵，隋军东征使用的抛石机还被高句丽缴获后送给日本当作礼物。隋末大业十三年（617年），李密攻打洛阳，命护军将军田茂广造“云旝三百具，以机发石”，作为攻城器械，号称“将军礮”。唐武德二年（619年），窦建德攻打宇文化及，“纵撞车抛石，机巧绝妙，四面攻城，陷之”（《旧唐书》）。
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