בענין זה יש להבחין בין תפילין של יד לתפילין של ראש.

לגבי הנחת תפילין של יד, מוסכם הדבר, שהכהנים אינם מניחים תפילין של יד, ואף יש איסור להניח אותם בשעת העבודה, מפני שנאמר בתורה (ויקרא ו,ג): "ולבש הכהן מדו בד ומכנסי בד ילבש על בשרו", ומכאן למדו חכמים, שלא יהיה דבר חוצץ בין הבגד לבין בשרו של הכהן (זבחים יט,א), ואם ישנה חציצה בין הבגד לבשר - העבודה פסולה (זבחים שם; ערכין ג, ב; רמב"ם הלכות כלי המקדש י,ו). הנחת תפילין של יד מהווה חציצה בין הבשר לכותנת ולכן יש איסור להניח תפילין של יד בשעת העבודה, ואין בדבר הבדל בין כהן גדול לכהן הדיוט.

באשר להנחת תפילין של ראש, ישנם בחז"ל מקורות סותרים. במקור אחד נאמר: "כהנים בעבודתן, לויים בדוכנן וישראל במעמדן פטורים מן התפילה ומן התפילין" (זבחים שם). ולמסקנת הסוגיה, מה שנאמר לגבי הכהנים הוא פטור מתפילין של ראש. מאידך במקור אחר נאמר: "הכל חייבין בתפילין, כהנים לווים וישראלים..." (ערכין ג,ב). גם שם מסקנת הסוגיה היא, שהחיוב האמור הוא ביחס לתפילין של ראש. כדי ליישב סוגיות אלו, יש מהראשונים שכתבו שהסוגיה בזבחים הפוטרת מתפילין, כוונתה רק כאשר בשעת קשירת התפילין הכהן מתבטל מן העבודה. אבל כשיש שהות להניח תפילין קודם העבודה - חובה להניחם ולהשאירם עליו לאחר מכן בשעת העבודה (שיטה מקובצת ערכין שם אות ו). מדברי ראשונים אחרים עולה, שבאופן פשוט הכהנים מניחים תפילין של ראש בשעת העבודה (ראב"ד לתמיד לג,ב; יראים מצוה שצט; רבנו עובדיה מברטנורא זבחים ב,א), ייתכן שלדעתם יש לפסוק כפי הסוגיה המחייבת כהנים בתפילין, או שאמנם אין חיוב כזה ומכל מקום, בפועל, החמירו הכהנים על עצמם והניחו תפילין.

על כל פנים, הרמב"ם פוסק להלכה כך: "אין הכהן יכול לעבוד בתפילין של יד שהרי חוצצת, אבל של ראש אינה חוצצת, ואם רצה להניחם בשעת העבודה מניח" (רמב"ם, הלכות כלי המקדש שם).

לגבי הנחת תפילין של ראש על ידי כהן גדול, אמרו חז"ל: 'שערו [של הכהן הגדול] היה נראה בין ציץ למצנפת, ששם מניח תפילין' (זבחים שם). כלומר, גם לכהן הגדול יש מקום שבו היה יכול להניח תפילין של ראש - בין מקום הציץ למצנפת - באופן שאין חציצה בין התפילין לבגדי הכהונה (רש"י זבחים יט,ב ד"ה ששם), וכך נפסק להלכה (רמב"ם הלכות כלי המקדש י,ג).

לכל הדעות, אין בהנחת תפילין של ראש משום 'ייתור בגדים' (רש"י זבחים שם).

סיכום: אין הכהנים רשאים להניח תפילין של יד בשעת העבודה, ואם הניחו - יש חציצה בדבר ועבודתן פסולה. תפילין של ראש רשאים הכהנים להניח (רמב"ם), ויש מקורות שנראה מהם שכך נהגו בפועל (ראב"ד; יראים; רע"ב), ואין בדבר משום חציצה או משום ייתור בגדים.