This work, together with its companion paper, Secco and Samuroff et al. (2021), presents the Dark Energy Survey Year 3 cosmic shear measurements and cosmological constraints based on an analysis of over 100 million source galaxies. With the data spanning 4143 deg$^2$ on the sky, divided into four redshift bins, we produce the highest significance measurement of cosmic shear to date, with a signal-to-noise of 40. We conduct a blind analysis in the context of the $\Lambda$CDM model and find a 3% constraint of the clustering amplitude, $S_8\equiv \sigma_8 (\Omega_{\rm m}/0.3)^{0.5} = 0.759^{+0.025}_{-0.023}$. A $\Lambda$CDM-Optimized analysis, which safely includes smaller scale information, yields a 2% precision measurement of $S_8= 0.772^{+0.018}_{-0.017}$ that is consistent with the fiducial case. The two low-redshift measurements are statistically consistent with the Planck Cosmic Microwave Background result, however, both recovered $S_8$ values are lower than the high-redshift prediction by $2.3\sigma$ and $2.1\sigma$ ($p$-values of 0.02 and 0.05), respectively. The measurements are shown to be internally consistent across redshift bins, angular scales and correlation functions. The analysis is demonstrated to be robust to calibration systematics, with the $S_8$ posterior consistent when varying the choice of redshift calibration sample, the modeling of redshift uncertainty and methodology. Similarly, we find that the corrections included to account for the blending of galaxies shifts our best-fit $S_8$ by $0.5\sigma$ without incurring a substantial increase in uncertainty. We examine the limiting factors for the precision of the cosmological constraints and find observational systematics to be subdominant to the modeling of astrophysics. Specifically, we identify the uncertainties in modeling baryonic effects and intrinsic alignments as the limiting systematics.

This work and its companion paper, Amon et al. (2021), present cosmic shear measurements and cosmological constraints from over 100 million source galaxies in the Dark Energy Survey (DES) Year 3 data. We constrain the lensing amplitude parameter $S_8\equiv\sigma_8\sqrt{\Omega_\textrm{m}/0.3}$ at the 3% level in $\Lambda$CDM: $S_8=0.759^{+0.025}_{-0.023}$ (68% CL). Our constraint is at the 2% level when using angular scale cuts that are optimized for the $\Lambda$CDM analysis: $S_8=0.772^{+0.018}_{-0.017}$ (68% CL). With cosmic shear alone, we find no statistically significant constraint on the dark energy equation-of-state parameter at our present statistical power. We carry out our analysis blind, and compare our measurement with constraints from two other contemporary weak-lensing experiments: the Kilo-Degree Survey (KiDS) and Hyper-Suprime Camera Subaru Strategic Program (HSC). We additionally quantify the agreement between our data and external constraints from the Cosmic Microwave Background (CMB). Our DES Y3 result under the assumption of $\Lambda$CDM is found to be in statistical agreement with Planck 2018, although favors a lower $S_8$ than the CMB-inferred value by $2.3\sigma$ (a $p$-value of 0.02). This paper explores the robustness of these cosmic shear results to modeling of intrinsic alignments, the matter power spectrum and baryonic physics. We additionally explore the statistical preference of our data for intrinsic alignment models of different complexity. The fiducial cosmic shear model is tested using synthetic data, and we report no biases greater than 0.3$\sigma$ in the plane of $S_8\times\Omega_\textrm{m}$ caused by uncertainties in the theoretical models.