Khuôn viên của Thế Tổ Miếu (còn gọi là Thế Miếu) có hình chữ nhật, diện tích trên 2ha, được bao quanh bằng tường gạch với cổng chính là Miếu Môn. Cánh cổng này có dạng tam quan, với nhiều tầng mái đắp chồng, đặc trưng lối kiến trúc cánh cổng của cung đình nhà Nguyễn.
Sau Miếu Môn là Hiển Lâm Các, một công trình ba tầng được xem là đài kỷ niệm ghi nhớ công tích của các vua nhà Nguyễn và các quan đại thần có công lớn của triều đại. Cao 17m, Hiển Lâm Các là công trình kiến trúc cao nhất Hoàng thành.
Hai bên Hiển Lâm Các có lầu chuông, lầu trống nối liền với phía gác bằng một bờ tường gạch. Bên dưới lầu chuông, lầu trống trổ hai cửa là cửa Tuấn Liệt (bên trái) và cánh cửa Sùng Công (bên phải).
Tòa Thế Tổ Miếu nằm sau Hiển Lâm Các, là một công trình kiến trúc gỗ rất lớn được xây theo lối "trùng thiềm điệp ốc", gồm hai tòa nhà nối tiếp nhau đặt trên nền cao gần 1 m. Bình diện mặt nền hình chữ nhật, diện tích 1500 m².
Tiền điện của Thế Tổ Miếu có 11 gian và 2 chái đơn, chính điện có 9 gian và 2 chái kép, nối liền nhau bằng bộ vì vỏ cua.
Mái Thế Tổ Miếu có hai tầng được lợp ngói hoàng lưu ly, đỉnh nóc gắn liền thái cực, các đầu đao hình rồng bằng pháp lam rực rỡ.
Dải cổ diêm giữa hai tầng mái được trang trí bằng những bức tranh sinh động.
Hình tượng rồng ở các bậc cấp của Thế Tổ Miếu.
Bên trong miếu, án thờ vua Gia Long và hai Hoàng hậu của ông đặt ở gian giữa. Hai bên là án thờ của các vị vua còn lại, được sắp đặt theo nguyên tắc "tả chiêu, hữu mục" (bên trái trước, bên phải sau, lần lượt theo thời gian).
Trước năm 1958, miếu chỉ có 7 án thờ của các vua Gia Long, Minh Mạng, Thiệu Trị, Tự Đức, Kiến Phúc, Đồng Khánh và Khải Định, do theo định chế, các vị vua bị coi là "xuất đế" và "phế đế" không được thờ. Đến năm 1958, ba vị vua chống Pháp là Hàm Nghi, Thành Thái và Duy Tân mới được thờ.
Phía trước Thế Tổ Miếu là một sân rộng lát gạch Bát Tràng. Trên sân đặt một hàng 14 chiếc đôn đá, bên trên đặt các chậu sứ trồng hoa, cây cảnh.
Hai bên sân lại có một đôi kỳ lân bằng đồng đứng trong thiết đình.
Cuối sân là bộ Cửu Đỉnh nằm sát Hiển Lâm Các. Đây là 9 chiếc đỉnh bằng đồng được vua Minh Mạng ra lệnh đúc vào mùa đông năm 1835 và khánh thành vào ngày 1/3/1837 để xác định quyền uy của triều đại.
Cửu Đỉnh được đặt theo một hàng ngang, đối diện với Thế Tổ Miếu, ứng với án thờ của các vua nhà Nguyễn trong ngôi miếu này. Mỗi đỉnh có một tên riêng ứng với một thụy hiệu của mỗi vị hoàng đế triều Nguyễn.
Ngược dòng lịch sử, vị trí xây Thế Tổ Miếu nguyên là Hoàng Khảo Miếu, nơi thờ ông Nguyễn Phúc Côn, thân sinh vua Gia Long. Đến năm Minh Mạng thứ 2 (1821), Hoàng Khảo Miếu được dời lùi về phía sau khoảng 50m để giành vị trí xây Thế Tổ Miếu thờ vua Gia Long và Hoàng hậu.
Thế Tổ Miếu được xây dựng trong 2 năm (1821-1822), ban đầu chỉ dành để thờ vua Gia Long - Thế Tổ Cao Hoàng Đế (vì thế mới có tên gọi Thế Tổ Miếu). Về sau miếu trở thành nơi để thờ cúng tất cả các vị vua của triều Nguyễn.
Dưới thời nhà Nguyễn, Thế Tổ Miếu là nơi triều đình đến cúng tế các vị vua quá cố. Nữ giới trong triều, kể cả hoàng hậu, không được đến tham dự các cuộc lễ này.
