天壇的主要建筑均位于內壇，從南到北排列在一條直線上。全部宮殿、壇基都朝南成圓形，以象征天。整個布局和建筑結構，都具有獨特的風格。祈年殿是皇帝祈禱五谷豐登的場所，是一座三重檐的圓形大殿，高38米，直徑32.72米，藍色琉璃瓦頂，全磚木結構，沒有大梁長檁，全靠28根木柱和36根枋桷支撐，在建筑的造型上具有高度的藝術價值。
　　天壇被兩重壇墻分隔成內壇和外壇，形似“回”字。兩重壇墻的南側轉角皆為直角，北側轉角皆為圓弧形，象征著“天圓地方”。外壇墻周長6553米，原本只在西墻上開辟祈谷壇門和圜丘壇門，1949年后又陸續新建了東門和北門，并把內壇南面的昭亨門改為南門。 　　
    天壇的內壇墻周長4152米，辟有六門：祈谷壇有東、北、西三座天門，圜丘壇的南面有泰元、昭亨和廣利門。主要建筑都集中在內壇，南有圜丘壇和皇穹宇，北有祈年殿和皇干殿，兩部分之間有隔墻相隔，并用一座長360米、寬28米、高2.5米的“丹陛橋”（磚砌甬道）連接圜丘壇和祈谷壇，構成了內壇的南北軸線。　

圜丘壇
    圜丘壇是皇帝舉行祭天大禮的地方，始建于嘉靖九年（1530年）。壇平面呈圓形，共分三層，皆設漢白玉欄板。壇面原來使用藍琉璃磚，乾隆十四年（1749年）重建后，改用堅硬耐久的艾葉青石鋪設。每層的欄桿頭上都刻有云龍紋，在每一欄桿下又向外伸出一石螭頭，用于壇面排水。圜丘壇有外方內圓兩重矮墻，象征著天圓地方。圜丘壇的附屬建筑有皇穹宇及其配廡、神庫、宰牲亭、三庫（祭器庫、樂器庫、棕薦庫）等。 站在圜丘壇最上層中央的圓石上面雖小聲說話，卻顯得十分洪亮。因此每當皇帝在這里祭天，其洪亮聲音，就如同上天神諭一般，加上祭禮時那莊嚴的氣氛，更具神秘效果。這是因為壇面光滑，聲波得以快速地向四面八方傳播，碰到周圍的石欄，反射回來，與原聲匯合，則音量加倍。  
皇穹宇
　　皇穹宇位于圜丘壇以北，是供奉圜丘壇祭祀神位的場所，存放祭祀神牌的處所。始建于明嘉靖九年（1530年），初名泰神殿，嘉靖十七年（1538年）改稱皇穹宇。為重檐圓攢尖頂建筑。清乾隆十七年（1752年）重建，改為鎏金寶頂單檐藍瓦圓攢尖頂。有東西配廡各5間。其正殿及東西廡共圍于一平整光滑的圓墻之內，人們在墻的不同位置面墻說話，站在遠處墻邊的人，能十分清晰地聽到，此為回音壁。皇穹宇臺階下，有三塊石板，即回音石：在靠臺階的第一塊石板上站立，擊掌，可以聽到一聲回聲，站在第二塊石板上擊一掌，可以聽到兩聲回聲，站在第三塊石板上擊一掌，可以聽到三聲回聲。
    皇穹宇的正殿和配殿都被一堵圓形圍墻環繞，墻高3.72米，直徑61.5米，周長193米。內側墻面平整光潔，能夠有規則地傳遞聲波，而且回音悠長，故稱“回音壁”。  
祈谷壇
　　祈谷壇是舉行孟春祈谷大典的場所，建于明朝永樂十八年（1420），主要建筑有祈年殿、皇乾殿、東西配殿、祈年門、神廚、宰牲亭、長廊，祈谷壇的祭壇為壇殿結合的圓形建筑，是根據古代“屋下祭帝”的說法建立的。壇為三層，高5.6米，下層直徑91米，中層直徑80米，上層68米；祈年殿為圓形，高38米，直徑32.7米，三重藍琉璃瓦，圓形屋檐，攢尖頂，寶頂鎏金。祈年殿由28根楠木大柱支撐，柱子環轉排列，中間4根龍井柱，高19.2米，直徑1.2米，支撐上層屋檐中間12根金柱支撐第二層屋檐；外圍12根檐柱支撐第三層屋檐；相應設置三層天花，中間設置龍鳳藻井；殿內梁枋施龍鳳和璽彩畫。 　　
    祈谷壇的另一座重要建筑是皇乾殿，它坐落在祈年墻環繞的矩形院落里，其間有琉璃門相通。這是一座廡殿式大殿，覆蓋藍色的琉璃瓦，下面有漢白玉石欄桿的臺基座。它是專為平時供奉“皇天上帝”和皇帝列祖列宗神版的殿宇。神版均供奉在形狀像屋宇的神龕里，每逢農歷初一、十五，管理祀祭的衙署定時派官員掃塵、上香。祭祀前一天，皇帝到此上香行禮后，由禮部尚書上香，行三跪九叩禮再由太常寺卿率官員將神牌恭請至龍亭內安放，由鑾儀衛的樣鉺抬至祈年殿內各相應神位安放，受祭。 　　
    圜丘壇、皇穹宇、祈谷壇是中軸線上三個主要建筑，連接這三座主建筑的是一長長的貫通南北的臺基，叫丹陛橋，又叫神道或海墁大道。它長360米，寬29.4米，南端高1米，由南向北逐漸升至3米，象征著此道與天宮相接，皇帝由南至北步步升天。丹陛橋中間是神道，左邊是御道，右邊是王道。皇帝走御道，王公大臣走王道，神走神道。橋下有東西向隧道，是祭祀前將牲畜送去屠宰的洞口。 　　
    齋宮位于天壇西天門南，坐西朝東，是皇帝來天壇祈谷、祈天前齋戒沐浴的地方。所以，也可以說是一座小皇宮。它建有宮城，宮墻有兩層：外層叫磚墻，內城稱紫墻。外城主要是防衛設施，在外城四角建有值守房。外城東北角有一座鐘樓，每逢皇帝進出齋宮，都要鳴鐘迎送。齋宮內城分前、中、后三部分。前部以正殿為中心；后部是皇帝的內宅寢宮；中部是一個狹長的院子，院內兩端各有廊瓦房五間，是主管太監和首領太監的值守房。齋宮面積4萬平方米，有建筑房屋200余間，雖不及紫禁城金碧輝煌，但規模也很宏大，而且典雅清幽。明、清兩朝皇帝均在祀前來此“致齋”三日，只有雍正皇帝以后“致齋”的前兩日改在紫禁城內齋宮“致齋”，最后一天才遷居天壇齋宮。外圍有兩重御溝，外溝內岸四周有回廊163間。宮面東，正殿5間，為無梁殿式供券磚石結構。正殿月臺上有齋戒銅人亭和時辰牌位亭，殿后有寢殿5間，東北隅有一座鐘樓，內懸永樂年制太和鐘一口。 　　
    神樂署在圜丘壇西天門外西北，始建于明朝永樂十八年（1420年）。神樂署是管理祭天時演奏古樂的機關。明代叫神樂觀，當時神樂觀的樂舞官、舞生都由道士擔任。明朝永樂十八年遷都北京時，有300名樂舞生隨駕進北京，以后明代神樂觀常保持有樂舞生600名左右。到嘉靖時樂舞生總人數達2200名。