Đàn tế trời được khởi công xây dựng vào ngày 25/3/1806. Đầu năm 1807, triều đ́nh Gia Long đă cử hành lễ tế Giao lần đầu tiên tại đây.

Đàn Nam Giao là đàn tế lộ thiên. Mô thức kiến trúc này mang ư nghĩa vừa tôn giáo vừa chính trị của nền quân chủ phương Đông. Đàn Nam Giao gắn với thuyết Thiên mệnh của đạo Nho. Cấu trúc đàn diễn tả quan niệm vũ trụ c̣n hạn chế của bao triều đại trước: Trời tṛn, đất vuông.

Đàn Nam Giao quay mặt về hướng nam. Ṿng tường bằng đá chung quanh khuôn viên của đàn có trổ bốn cửa trống rộng nhằm theo bốn hướng. Trước mỗi cửa đều xây một bức b́nh phong rất lớn (rộng 12,5m, cao 3,2m, dày 8,8m). Trong dịp tế, trước mỗi cửa đều cắm lá cờ lớn với màu sắc khác nhau: cửa Bắc màu đen, cửa Nam màu đỏ, cửa Đông màu xanh, cửa Tây màu trắng.

Từ thời Gia Long (1802  - 1819), lễ tế giao được cử hành vào thượng tuần tháng hai âm lịch hằng năm. Từ năm 1880, v́ thấy mỗi lần tế lễ quá tốn kém nên triều đ́nh Thành Thái thay đổi ba năm mới tế một lần vào các năm Tư, Măo, Ngọ, Dậu. Bộ Lễ và Bộ Công phải chuẩn bị từ mấy tháng trước cho việc lễ. Mỗi lần tế, vua đến và ở lại Trai Cung trước 3 ngày, thời Bảo Đại rút xuống c̣n một ngày. Từ Đại Nội vua đi lên Trai Cung với một đám rước gọi là Ngự Đạo có từ 1.000 đến 5.000 người, tất cả đều mặc lễ phục và trang sức rực rỡ. Vua ngồi trên Ngự Liễn do lính Loan gánh đi ở giữa trung đạo. Đại lễ chính thức bắt đầu lúc 2 giờ sáng và kéo dài gần 3 giờ mới xong...