Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
I en tuff vind, 22-åriga Spieth kortade en one-over 73 för att leda för en rekord sjunde på varandra följande runda.
Smylie Kaufman kommer att spela med sin kollega amerikan på söndag, med före detta mästare Bernhard Langer och Japans Hideki Matsuyama ytterligare ett skott bakom.
McIlroy, 26, började dagen en bakom Spieth, men slutade fem tillbaka efter en 77.
Den norra irländaren började sin tredje omgång med genuina förhoppningar om att vinna Green Jacket efter ett sent rally på fredag.
Men hans försök att bli bara den sjätte mannen att vinna alla fyra majorerna led efter en fågelfri runda med tre bogeys och en dubbel bogey som lämnade honom i en slips för 11: e plats.
McIlroy kommer att gå av klockan 18:55 BST på söndag, med den sista parningen av Spieth och Kaufman gå ut vid 19:45.
Söndagens starttider
Återupplev lördagens tredje runda i Augusta
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Lördagen fakturerades som en showdown mellan den sista parningen av Spieth och McIlroy, men den förväntade striden mellan golfens ungdomliga affisch pojkar misslyckades att materialisera.
World nummer tre McIlroy kämpade för att hitta sin rytm genom hela, vilket tillåter Spieth att ta kontroll utan att den försvarande mästaren var på hans flytande bästa.
Men medan McIlroy inte kunde plocka upp några skott, blåsa en anständig chans till sist genom att trycka bred en 9 meter putta, lyckades hans rival fortfarande slipa ut fem fåglar.
Spieths kort led emellertid avsevärt av två sällsynta dubbelsmycken.
Den Texan tre-ställd på 505-yard, par-fyra 11th, erbjuder hopp till hans närmaste utmanare som i detta skede var Matsuyama och Langer.
Han rättade till det slarviga misstaget med tre fågelungar i de följande fyra hålen, och öppnade upp ytterligare en fyrtakts bly över 24-åriga Kaufman, som hade dykt upp ur flocken med tre egna fågelungar i de sista sex hålen.
Men Spieths dåliga sista hål - som körde rakt in i träden innan han föll 50 meter kort på stiftet med en underkokt tredje skott - gav förnyad tro till resten av leaderboarden.
"Två under med tre för att gå och vinden vid din sida, jag bara kom riktigt egensinnigt därifrån", sade Spieth.
"Jag måste bara absolut kasta bort finishen till denna runda, låtsas att det är en ny runda, alla är bundna och du måste skjuta den bästa poängen för att vinna.
"Jag måste förstå att det är den position jag ville vara i efter 54 hål och inte tänka på finishen till denna runda."
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Spieth hade tidigare förlängt sin ledning med en två-putt fågel på par-fem sekunder, där McIlroy var tvungen att nöja sig med en par efter saknas från nio fot.
McIlroy tappade sitt första skott på par-fyra tredje, medan Spieth återhämtade sig från en egensinnig enhet för att rädda par och förlänga hans ledning till tre.
Vid turn, var världen nummer två fyra skott framåt, innan McIlroy utmaning bleknade när han drog tee-shots vid 10 och 11 på väg att släppa tre skott.
Det kan ha gjort slut på mästarnas sökande efter ett år till, trots att fyrafaldiga vinnaren grep hans nedgång med sju raka pars på väg tillbaka till klubbhuset.
"Jag kunde inte få något att hända riktigt", sade McIlroy. "Jag är besviken. Jag kände att jag rättade skeppet lite på baksidan nio men kunde inte ta de få möjligheter jag gav mig själv.
"Om jag ska ta mod till mig av något så är det det faktum att Jordan just har släppt in en massa människor efter hans slut."
Medan Spieth och McIlroy kämpade för att imponera, var det en spelare i andra änden av sin karriär som hotade att stjäla showen.
Tidigare värld nummer ett Langer, som vann Green Jacket 1985 och 1993, var fem skott på drift av övernattning ledare Spieth i början av lördagens tredje runda.
Men veteranen tyska kortade tre fåglar i en front-nio 35 för att göra de största framstegen på "Moving Day" - den näst sista dagen av en major där utmanare i utkanten vet att de måste prestera bra.
Langer tappade ett skott på den ikoniska par-tre 12th, men studsade tillbaka med tre raka birdies för att ta en del av andra plats med Matsuyama.
En lös tee-shot ut rätt på 18: e lämnade honom scrambling, men han lyckades begränsa skadan genom att holing en knepig sju-fots putt för bogey.
Augustagallerierna visade sin uppskattning av den osannolika utmanaren, som nu rankas som 1.080 i världen, med en stående ovation.
"Jag tror att jag kan vinna. Uppenbarligen beror det på hur de andra gör, säger Langer.
"Om jag gör mitt bästa, kan jag skjuta fyra eller fem under morgondagen, tror jag, om förhållandena är lite bättre."
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Världens bästa golfare kämpade för att tämja Augusta i en testande tredje omgång orsakad av vindar som rusade upp till 30 mph.
Endast fem av 57-man fältet lyckades avsluta under par, Kaufman kortar den bästa omgången för dagen med en tre-under 69.
Men kursen beskrevs som "brutal" av en annan amerikan, Kevin Kisner, som sköt en 76:a.
"Varje skott är bara gissning och slå och be. Jag kände mig aldrig bekväm ens på kil skott hela dagen och putter är bara brutal, "sade han.
"Jag såg Justin Thomas träffa en fyrafotare som gick 55 fot." Jag menar att du inte ser det där. Det ska inte hända."
Frågade vad han kunde lära sig av upplevelsen, skämtade han: "Ja, du går hem och tar en öl och sitter på soffan och skrattar åt alla andra."
Vill du aldrig missa de senaste golfnyheterna? Du kan nu lägga till denna sport och alla andra sporter och lag du följer till din personliga My Sport hem.
Jordan Spieth kommer att börja den sista dagen på Masters med en en-shot ledning men spela partner Rory McIlroys bud vacklade på dag tre i Augusta.