帝王郊祀是一种祭祀的大典。古代祭祀对象有皇天上帝、日月星辰、司中司命、风师雨师、社稷、五岳、山林川泽、四方百日等。汉武帝定郊祀之礼，冬至在南郊祀天，夏至在北郊祭地，所以称祭祀天地为郊，表示敬事上帝。古人认为这是国家大事，所以在各种礼仪中置于首位，称为“五礼之首”，从汉代以后一直延续下来。
天坛的建筑形式及相关的数字、装饰都与天地、四季相关，凸现了祭祀之所的特点，也反映了君权神授的皇权思想。从平面上看，天坛北圆南方，象征天圆地方。在南北中轴线上有两座祭坛，北面为祈谷坛，南面为圜丘坛，二坛中间砌墙隔开。祈谷坛的中心是祈年殿，圆形，殿顶共三重檐，上层为蓝色，代表上天；中层为黄色，代表君主；下层为绿色，代表臣民。乾隆年间修缮时将三层檐都改成蓝色琉璃瓦。殿内柱子的数目与天象相关，中间四根龙柱，象征四季；中层十二根金柱，象征十二个月，外层十二根柱，象征一天十二个时辰。加起来二十四根，象征二十四节令。三层相加二十八根，象征周天二十八星宿。殿内正中地面上的平面圆形大理石，有黑色纹理，自然形成龙和风的花纹，俗称“龙凤呈祥石”。1907年，祈年殿东配殿新设祭天乐舞馆，用207个乐手塑像再现清代皇室祭天乐舞的场面，同时播放由天坛保存的中和韵乐乐器演奏的“祭天大乐”录音。
圜丘坛是祭天的地方，明代嘉靖皇帝时始建。圜丘坛是露天的圆形建筑，共分三层。由于古代把一、三、五、七、九等单数称为阳数，又叫天数，九足阳数中最高的，常被用来表示天体的至高至大。圜丘坛所有的石板、石栏、栏板，以及四面的台阶都与九有关。例如，坛中心是一块圆形的大理石，名为“天心石”，从中心向外，三层台面，每层铺九圈扇面形状的石板，上层第1圈是9块，第2圈是18块，第3圈足27块……以此类推，到第9圈是81块。又如四面栏板，上层是72块，中层是108块，下层是180块，共360块，正合周天360度。台面中心的天心石又叫“亿兆景从石”，亿兆是形容百姓之多，“景”即影，“景从”是紧相追随。因为站在天心石上的人，听到自己的声音，觉得格外响亮，仿佛是有亿万人在应和。皇帝把这看成是天下万民对朝廷的归心和响应。其实这是利用了回声原理，天心石的半径较短，声波传到四周石栏，迅速反射回来，回音太快，只有0.07秒，与原音混在一起，就会使发声者觉得自己的声音特别响。
圜丘坛北还有一处建筑，叫皇穹宇，是存放圜丘坛祭祀牌位的地方。皇穹宇也是圆形建筑，殿顶是美丽的穹隆圆顶。殿内彩画用描金和沥粉贴金手法，辉煌华丽，在当时建筑中独树一格。皇穹宇外面有一道圆形围墙，就是著名的回音壁。两个人如果分别站在东西两端墙根，一个人靠墙说话，声浪就会沿墙连续折射前进，传到一二百米的另一头，使对方听得清清楚楚。从皇穹宇到围墙南面的琉璃门之间有一条石板甬道，在皇穹宇南台阶前由北而南第一、二、三块石板，叫做三音石。站在第一块石板中央，面向殿内拍一下手掌，可以听到一声宏亮的回响，站在第二块石板上照样拍一下手掌，就会听到两声回响；站在第三块石板拍一下手，可听到三声回响。这是因为三块石板在这道圆形围墙中心，所以不论站在哪块上击掌一次，都能听到它的回音；只是由于音波从围墙折射回来的距离不同，才会听到次数不同的回音。
祈谷坛和圜丘坛之间，由一条长360米、宽近30米的大路连接起来。因为路下有一条隧洞与大道立体交叉，所以此路称为“丹陛桥”。桥面中间是“神道”，两边是“御道”和“王道”，皇帝走御道，王公大臣走王道。祭天用的牛羊猪鹿等牲畜则从桥下的牲道由西向东穿过，被送到宰牲亭屠宰，所以这里又叫鬼门关。
明清时祭祀每年举行三次，由皇帝亲自主持，正月上辛日到祈年殿举行祈谷礼，祈祷上天保佑五谷丰登；四月吉日到圜丘坛为百谷祈求膏雨：冬至到圜丘坛禀告五谷业已丰登。大祭时，主祭皇天上帝，配祭皇帝列祖列宗，以及日月星辰、云雨风雷。
祭祀提封建时代国家的大事，在黎明时就开始，圜丘坛内墙外设三个灯柱，悬挂大灯笼，同时要焚松柏木、檀香木，香烟缭绕，火光照亮全坛。由60多件乐器组成中和韶乐，配合祭祀的不同仪程演奏不同的乐章。整个祭祀过程不可以有一点点儿的小差错，否则有关大臣就要被革职查办。
现在，天坛仍是中国的标志性建筑之一。它以严谨的建筑布局，奇特的建筑构造和瑰丽的建筑装饰著称于世。2003年，奥运会会徽的揭晓仪式就在天坛举行。平时，人们也爱来这里参观风格独特的建筑，在回音壁、天心石感受古人的聪明智慧。天坛的主体建筑之外，还有大片的绿地。天坛内有松柏万余株，其中树龄在300~600年以上的约有2600多株。相传于1420年前所植的九龙柏，高10米，胸径1.2米，树干表面凹凸花纹似群龙绕柱。
天坛是中国目前现存最大的祭坛建筑群，现在已成为天坛公园。天坛公园是附近居民休闲的场所，尤其是附近的老年人常聚在这里一起唱戏、拉弦，颇有北京风情。