성종 때 설치된 것으로 추정되며, 문종 때 관제가 정비되었다. 판사는 성재(省宰), 사는 2인으로 추밀(樞密) 및 상서(尙書)가 겸직하게 하고, 부사는 정4품 이상으로 2인, 판관은 참상(參上)으로 2인, 녹사(錄事)는 을과권무(乙科權務)로 4인을 두었다. 이속(吏屬)은 기관(記官) 2인, 기사(記事) 2인, 서자(書者) 2인으로 하였다.
전목사의 하부조직은 전국에 설치된 목장을 단위로 이루어졌다. 1025년(현종 16)에 목감(牧監 : 牧監直)과 노자(奴子)를 배치하고, 노자 1인은 청초절(靑草節 : 5∼9월)에 대마(大馬) 4필을 길러 새끼를 생산하도록 하였다.
그리고 각 목장에는 장교·군인 등 간수군(看守軍)을 배치해 목장을 경비하게 하였다. 목감직은 권무직(權務職)으로, 노자를 지휘, 감독해 목장관리를 맡았다. 노자의 역(役)은 고역으로 신분은 자손에까지 세습되었다.
『고려사』 병지(兵志)에 용양(龍驤)·농서(隴西)·은천(銀川)·양란(羊欄)·좌목(左牧)·회인(懷仁)·상자원(常慈院)·엽호현(葉戶峴)·강음(江陰)·동주(東州) 등 10개의 목장이 있었다. 그러나 『고려사』 세가(世家) 및 『고려사절요』를 보면 전국에 많은 목장이 있었던 것을 확인할 수 있다.
또한 신라시대에 목장이 약 170여 개소, 그리고 조선시대에도 목장이 약 160여 개소 있었던 것이 밝혀져 있어, 고려시대에도 이와 비슷한 수의 목장이 있었을 것으로 추정된다.
그 중 초기에는 좌목·양란·강음 등 3개의 목장이 어마목장(御馬牧場)으로 유명하였다. 충렬왕 이후에는 탐라목장(耽羅牧場)이 세워져 명마가 산출되었는데, 원나라·명나라에까지 알려졌다.
전목사가 1308년(충선왕 즉위년) 사복시에 병합되면서 목장도 사복시의 관할로 되었다. 1367년(공민왕 16)부터는 노자를 목자(牧子)로 부르게 되었다. 이들의 신분은 조선시대에 이르러 신량역천(身良役賤)에 속하였다. 그리고 간수군은 목마군(牧馬軍)으로, 목감직은 감목관(監牧官)으로 개편되었다.
전목사는 소와 말을 길러 군사·교통·외교 및 농경용으로 공급하는 일과 과학적인 「축우마료식(畜牛馬料式)」을 제정, 확립해 조선시대에까지 본보기가 되었다.
1025년에 말에게 주는 사료를 계절에 따라 종류와 공급량에 차이를 두어, 황초절에는 하루 한 필의 말에 법말(法末) 3승, 실두(實豆) 3승을, 청초절에는 두말(豆末) 3승을 먹이도록 하였다.
1159년(의종 13)에는 「제목감장축마료식(諸牧監場畜馬料式)」을 제정해 소·말 등 사육동물의 종류, 계절의 차이에 따라 사료의 품종과 양에 차이를 두고 소·말 1필이 1일에 소요하는 사료량을 결정하였다.
또한, 전목사는 관마보(官馬寶)·수의박사(獸醫博士) 등을 두어 우마종(牛馬種) 개량에 힘써 12종의 말과 3종의 소 및 낙타를 생산하기도 하였다.
전목사는 비록 축마료식으로 국가예산을 합리화했으나 운영의 재정적인 부담으로 말미암아 사회문제를 가져왔다.