Khu lăng mộ tọa lạc trên đồi, lưng tựa núi, trước mặt có sông Hương làm "tự thuỷ", hai bên có núi chầu làm thế "tay ngai" (tả long hữu hổ) theo quan niệm phong thủy thời xưa.
Nơi đặt mộ phần của đấng sinh thành vua Gia Long được bao bọc bởi bức tường thành có quy mô hoành tráng.
Ngôi mộ được xây hình vuông, có 3 tầng, một cấu trúc tương tự với lăng các chúa Nguyễn.
Trước và sau mộ đều bình phong đắp nổi hình rồng còn khá nguyên vẹn, đầy nét sinh động cũng như toát lên vẻ quyền uy.
Lăng Cơ Thánh còn được dân gian gọi là lăng Sọ, vì tương truyền dưới nấm mộ chỉ có hộp sọ của ông Nguyễn Phúc Luân mà không có các phần hài cốt khác.
Theo sử nhà Nguyễn, sau khi chiếm Phú Xuân (Huế) năm 1790, tướng Nguyễn Văn Ngữ của quân Tây Sơn đã sai người đào mồ Nguyễn Phúc Luân, lấy xương cốt vứt xuống dòng sông Hương. Một ngư dân Nguyễn Ngọc Huyên vớt được xương sọ và lén đem chôn ở một nơi khác.
Sau khi vua Gia Long lên ngôi (1802), Nguyễn Ngọc Huyên đã đến trình báo và chỉ chỗ chôn sọ. Vua Gia Long sau khi thử bằng cách cắt tay, cho chảy máu, nhỏ vào sọ thấy sọ hút máu cho nên tin đó là hài cốt cha mình bèn trọng thưởng Huyên và đem chôn vào chỗ cũ và xây lại lăng.
Để đền đáp công đức của người tìm thấy sọ cha mình, vua Gia Long đã cho lập miếu thờ Nguyễn Ngọc Huyên ngay bên cạnh lăng mộ cha.
Do những biến động lịch sử, lăng Cơ Thánh đã bị hủy hoại khá nặng nề so với nguyên bản. Ngoài khu vực chính, nhiều công trình quanh lăng đã biến mất hoặc đổ nát ở các mức độ khác nhau.
