【目的】对3种野生牡丹的挥发性成分进行研究与分析，明确关键挥发性成分及释香部位，为指导牡丹花香育种、探索花香遗传规律等后续研究和开发相关产品提供参考。【方法】采用顶空-气相色谱质谱联用（HS-GC-MS）技术对大花黄牡丹（P. ludlowii）、黄牡丹（P. lutea）、杨山牡丹（P. ostii ）花器官不同部位（整花、花瓣、雄蕊）的挥发性成分进行测定，并基于检测出的挥发性成分对3种牡丹进行主成分分析（PCA）和偏最小二乘法判别分析（PLS-DA）。【结果】在3种牡丹花器官中共检测出147种挥发性物质。大花黄牡丹花器官中的化合物主要为酮类、醇类、烯烃类和醛类，整花中的挥发性成分以苯乙酮、6，6-二甲基双环[3.1.1]庚烷-2-甲醛和芳樟醇为主；花瓣中的挥发性成分以β-古巴烯、苯乙酮和芳樟醇为主；雄蕊中的挥发性成分以苯乙酮和芳樟醇为主。黄牡丹花器官中的化合物主要为烯烃、烷烃和醇类，整花和花瓣部位的挥发性物质主要是α-蒎烯、β-古巴烯、芳樟醇；雄蕊部位以辛烷、β-古巴烯和α-蒎烯为主。杨山牡丹花器官中的挥发性物质以烯烃和烷烃类为主，整花部位中的挥发性成分主要为α-蒎烯、罗勒烯、十五烷；花瓣的主要挥发性成分为罗勒烯，相对含量高达81.58%；雄蕊中的挥发性成分以罗勒烯、十五烷为主。依据检出的挥发性成分构建的PCA和PLS-DA模型，可实现将3种牡丹有效分类，并筛选出了15种差异性成分（VIP＞1，P＜0.05）。【结论】3种牡丹之间以及同种牡丹不同部位之间的挥发性化合物种类和相对含量存在较大差异。大花黄牡丹的主要香气成分为苯乙酮和芳樟醇，黄牡丹的主要香气成分为α-蒎烯、β-古巴烯和芳樟醇，杨山牡丹的主要香气成分为罗勒烯、α-蒎烯、十五烷。3种牡丹雄蕊中烷烃类化合物的相对含量均远高于整花与花瓣，雄蕊可能是烷烃类化合物的重要合成部位。不同挥发性物质构成了3种牡丹各自独特的香气特征，大花黄牡丹和黄牡丹表现出强烈的花香，杨山牡丹表现为草香和蜡香。