自東漢至隋唐，黃帝作為天帝之一在曆代國家的郊天大典中得到祭祀。隋朝延續了前朝圜丘、南郊分立的製度，黃帝仍作為五帝之一在圜丘祀天中隨祀。隋朝圜丘在國之南，太陽門外道東二裏。其丘四成，各高八尺一寸。下成廣二十丈，再成廣十五丈，又三成廣十丈，四成廣五丈，於冬至之日祭昊天上帝，黃帝從祀。其用牲，上帝、配帝用蒼犢二，五帝、日月用方色犢各一，五星以下用羊豕各九。凡大祀，齋官皆於其晨集尚書省，受誓戒。散齋四日，致齋三日。祭前一日，晝漏上水五刻，到祀所，沐浴，著明衣，鹹不得聞見衰絰哭泣。其祭祀音樂，升壇奏《皇夏》之樂，受王帛，登歌奏《昭夏》之樂，皇帝降南陛，詣罍洗，洗爵訖，升壇，並奏《皇夏》。初升壇，俎入，奏《昭夏》之樂。皇帝初獻，奏《□夏》之樂。皇帝既獻，作文舞之舞。皇帝飲福酒，作《需夏之樂》。皇帝反爵於坫，還本位，奏《皇夏》之樂。武舞出，作《肆夏》之樂。送神作《昭夏》之樂。就燎位，還大次，並奏《皇夏》。鑒於祭祀禮儀繁瑣，隋文帝時把祭祀劃分等級。隋代將祭祀昊天上帝、日、月以及地祇、社稷、宗廟定為大祀，祭星辰、五祀、四望等定為中祀，祭司命、司中、風師、雨師、山川等定為小祀。唐代《開元禮》規定，皇帝冬至祀圜丘。太史令、郊社令各常服，率其屬升設昊天上帝神座於壇上北方南向，席以蒿秸。設高祖神堯皇帝神座於壇上東方西向，席以莞。設五方帝、日月神座於壇第一等，青帝於東陛之北，赤帝於南陛之東，黃帝於南陛之西，白帝於西陛之南，黑帝於北陛之西，大明於東陛之南，夜明於西陛之北，席皆以蒿秸。但唐初的祭天之禮，細節上略有變化。其一是燔祭由迎神之後安排到送神之後。當時李淳風力主糾正了這種做法。他說：“臣等謹按祭祀之禮，必先降神，周人尚臭，祭天則燔柴，祭地則瘞血，祭宗廟則□蕭灌鬯，皆貴氣臭，用以降神。禮經明白，義釋甚祥。燔柴在祭初，禮無所惑，是以三禮義宗，並雲祭天以燔柴為始，然後行正，祭地以瘞血為先，然後行正。”但在玄宗所定《開元禮》中，燔柴還是改在禮儀臨結束時進行。其二是燔柴時不像以前那樣將所有祭品都燒掉，而將皂瓚等收藏起來。
《大唐開元禮》共150卷，是一部相當完備的封建禮典，曆代考禮引為圭臬，據《開元禮》，唐代郊天的具體禮儀是：
（1）齋戒。前祀七日，皇帝散齋四日，於別殿致齋三日，祀官及文武百官俱齋戒。
（2）陳設。前祀三日，諸祠官開始打掃圜丘祭壇，整飭乘輿行道，劃分各類祭祀人員的祭祀位置，安置相應祭器。
（3）省牲器。前祀一日，諸祠官檢查所供祭品。
（4）鑾駕出宮。皇帝親臨圜丘。
（5）奠玉帛。迎神、奏樂、讀祝文。
（6）進熟。凡三獻。燔柴。
（7）鑾駕還宮。
宋朝在祭祀祀儀上因襲唐朝，“冬至祀昊天上帝於圜丘，以五方帝、日、月、五星以下諸神從祀。又以四郊迎氣及土王日專祀五方帝，以五人帝配，五官、三辰、七宿從祀”（《宋史·禮誌三》）。宋代祭天也附祭五方帝，黃帝因而在祭天禮中也得到附祭。大德九年（1305），中書省討論圜丘祭天，主張隻按《周禮》祀昊天上帝，取消五方帝附祭。但至大三年（1310）又按唐宋慣例，以五帝從祀。元代英宗至治二年（1322），有旨議南郊祀事，當時有人認為：唐宋以來，壇上神位既設昊天上帝第一等，複有天皇大帝，其五帝與太一、天一等都沒有可靠依據。元代文宗至順以後，官方祭天祀典發生重大變化，即正式廢除了對五方帝的祭祀。元初，一度“合祭昊天上帝、皇地祇、五方帝於南郊”，但皇帝已不親祀。文宗至順以後，祭天“惟祀昊天上帝”，又取消了四時郊迎之製，結束了黃帝作為方帝享祀的曆史。明太祖即位後，命李善長探究祭天之禮的源流，並斟酌古今之宜，務在適中，定議以聞。李善長研究祭天之禮後說：“國有大事在祀，今當遵古製，分祀天地於南、北郊。歲冬至，皇帝大祀天於南郊，昊天上帝南向，以大明、夜明、星辰、太歲諸神配。方丘在北郊，歲夏至，皇帝大祭地於方澤。”從而進一步簡化禮儀，“□正祀典，凡天皇、太一、六天、五帝之類，皆為革除”。
在早期圜丘郊天儀式中，黃帝處於昊天上帝之下的二陔西南未地。他的地位較為顯赫。在祭品供奉上，黃帝與天（地）、始祖各供一犢，而四方帝共供二犢，日月北鬥共供一犢。雖然後來，黃帝與其他四帝供品基本趨同，僅僅隻有顏色的差異，但這仍然改變不了五帝以黃帝為核心的地位。
（二）五祀之祭
五祀即五帝之祠，五祀之祭就是在五帝祠舉行的祭祀。自秦漢至明有五祀之祭。
最先立祠祭祀五帝的是秦襄公。他攻戎救周，列為諸侯，而居西部，自以為主少皞之神，遂作西畤，祠白帝。其牲用駒、牛、羊各一。後來秦國又分別建赤、黃、青帝畤。秦始皇一統天下後，每歲祠禱。用駒四匹，木禺龍欒車一駟（即用木頭所做的龍四條），木禺車馬一駟（用木頭做的車馬四輛），各按照四帝的顏色製作，還有黃犢、羊羔各四頭以及皂幣作祭品。漢初，漢高祖增立黑帝祠，用秦祭四帝的舊儀祭五帝。文帝時，增加祭祀五帝的祭品“路車”各一乘。武帝時，在祭五帝時獲一有角之獸，象麟，於是薦五帝各加一牛，以燎。
秦漢之際開始，五方帝不但用來說明社會曆史的變易和朝代更替，還用來解釋時序的變遷。《禮記·月令》都以木、火、土、金、水說明季氣的轉移，將五帝取象於四時。《禮記·月令》雲：“孟春之月……其帝太皞，其神句芒。孟夏之月……其帝炎帝，其神祝融……中央土……其帝黃帝，其神後土。孟秋之月……其帝少嗥，其神蓐收。孟冬之月……其帝顓頊，其神玄冥。”天子要在各帝所代表的氣節來臨之際舉行祭禮。《禮記·月令》記其事說：“先立春三日，太史謁之天子曰：某日立春，盛德在木。天子乃齊（齋）。立春之日，天子親率三公、九卿、諸侯、大夫，以迎春於東郊……先立夏三日，太史謁之天子曰：某日立夏，盛德在火。天子乃齊。立夏之日，天子親率三公、九卿、大夫以迎夏於南郊……先立秋三日，太史謁之天子曰：某日立秋，盛德在金。天子乃齊。立秋之日，天子親率三公、九卿、諸侯、大夫，以迎秋於西郊……先立冬三日，太史謁之天子曰：某日立冬，盛德在水。天子乃齊。立冬之日，天子親率三公、九卿、大夫，以迎冬於北郊。”