祈穀壇是一座由漢白玉砌的直徑九十一米，高六米，麵積約五千九百平方米的圓形基座，分為三層，每層的邊沿都有漢白玉欄杆和雲龍望柱，南北台階的中間還各有三塊巨大的雲龍石，雕刻精致，具有典型的民族風格。整個祈穀壇坐落在一座高四米、東西一百六十五米、南北一百九十一米的磚台上。祈年殿立於祈穀壇中央，殿高38米，直徑3272米，為圓形建築，尤其出色的是大殿的特殊結構：它不用大梁長檁，三層殿簷全靠二十八根巨大的木柱和三十六塊相互銜接的枋、桷支撐著，設計者頗具匠心，用圓形平麵象征天，以中心的四根高192米、直徑12米的龍井柱象征四季，中間十二根金柱象征十二個月，外圈十二根簷柱象征十二個時辰，總共二十八根柱子又象征二十八宿、三十六塊枋、桷則象征三十六罡……屋頂為三層琉璃瓦，最初從上至下分別為藍、黃、綠三色，象征天、地、萬物。至清乾隆年間全部改為藍色琉璃瓦，以象征天的深邃。殿內地麵正中，是一塊圓形大理石，上麵有天然的龍鳳花紋，與殿頂中央的九龍藻井遙相對應。外圈十二柱間裝隔扇、檻窗和藍琉璃磚檻牆。大殿全部用龍鳳和璽彩繪畫，顯得富麗堂皇，殿內設雕龍寶座，是行祭祀時安放神牌的地方。祈年殿結構雄偉，構架精巧，室內空間層層升高，向中心聚攏，外形台基和屋簷層層收縮上舉，既構成了優美的拋物線外輪廓，又造成強烈的向上動感，特別是那三重層層向上的屋簷，更表現可與蒼天相接，達到思想內容與建築藝術高度的統一。
同時，由於將祈年殿建在高於垣外地平十米以上的高壇之上，使得人們在穿過茂密的參基古柏叢林後，至此有頓然超出蒼翠的林海之上，超凡脫俗與天接近的感覺；而這正是祈天之時所需的靜謐肅穆的氣氛。為了突出天壇祈年殿的崇高孤兀，設計者不在其附近建配屬建築，其他諸如殿後的皇乾殿和神廚、神庫及宰牲亭等附屬建築，或是完全被掩遮或是遠離主體建築，隱蔽於叢林中。總之，壇麵所見，惟有蒼穹與林海。往南出了祈年門，便是神道了。神道連接祈穀壇和圜丘壇。神道築在磚石台基上，北高南低，與祈年門連接之處高四米，它同樣高高在上。它那修長而空曠的造型，表示上到天廷需要經過遙遠而漫長的路程。順著神道往南走，便可看到一座圓形單簷攢尖藍琉璃瓦頂的建築。這便是專門置放祭天神牌的皇穹宇。它也建於嘉靖九年，初名泰神殿，嘉靖十七年才改現名，當初它是二層簷綠琉璃瓦、清乾隆年間才改成單簷藍瓦的，它建在漢白玉台基上，高19米，直徑156米，殿內天花為貼金龍鳳紋，八根金柱上是貼金纏枝蓮。該殿外形簡潔雅致，遠遠望去，就像一把金頂的藍傘高撐雲空，在陽光下放射著燦爛的光輝。其內部結構精巧，有較高的藝術水平。令人叫絕的是，殿外建有回音壁，回音壁直徑六十三米，壁牆用磨磚對縫砌成，渾圓無接痕、精致細膩，世所罕見。由於圓圍牆的攏音作用，兩個人如果分別站在東西配殿的後麵，一個人靠近回音壁低聲說話，聲波就會沿著牆壁連續反射前進，像打電話一樣，讓另一個人聽得清清楚楚。
此外，在皇穹宇台階前，還有三塊著名的三音石，它們也是利用音波反射的原理，在不同的位置上收到不同的回聲效果。出皇穹宇再往南，便來到圜丘壇。壇始建於嘉靖九年，它是按照南京的式樣，用藍色琉璃磚砌成。清乾隆十四年（1749）進行擴建，將欄板望柱改用漢白玉石，壇麵鋪石用最高級漢白玉艾葉青。圜丘壇是每年冬至祭天時設祭物的地方，故又有祭台、祭天台或拜天台之稱。壇為露天三層圓形以象征天，古人將一、三、五、七、九等單數稱為陽數，又叫天數，而“九”又是所謂的“陽數之極”常用九來表示天體的至高和至大。為了符合天意，這座石壇的欄柱、台階，砌壇的石塊等等，至少是陽數，並大都和九字有關，這不但在造型上形成了一幅有趣的圖案，而且結構也富有幾何學的巧用。壇高一丈六尺，最上一層直徑九丈，名一九，中間一層十五丈，名三五，最下一層二十一丈。名三七。上層台麵中央嵌有一塊圓形石板，叫太極石。周圍一圈鋪有九塊扇形石板，為一重，第二圈十八塊；……至第九圈為八十一塊。中層從九十塊鋪至一百六十二塊，下層從一百七十一塊鋪至二百四十三塊，恰好是九的二十七倍。每層四麵有台階，各九級。上層欄板七十二塊，中層一百零八塊，下層一百八十塊，總計三百六十塊，正符合周天360°的天象數字。最有趣的還是那塊太極石了，站在它上麵小聲說話，聲音竟非常洪亮，這也是利用音波反射的原理。據測，從發音到聲波再回到圓心的時間，總共隻有007秒。圜丘壇的附屬建築物也同樣位於密林深處。圜丘壇四周，繞以圓形平麵和方形平麵闦牆一重，僅一米多高；闦內空洞不植樹，闦外則森林茂密，造成隔絕空間，但處理手法不及祈年殿一組位置得法。此外，天壇非常講究構圖原則，如從祈年門望祈年殿，恰好在由明間柱額雀替所形成的景框中，剪裁適度，是一張天然藝術照片；又如借助於皇穹宇入口處的磚砌拱門，以門框為景框，也同樣形成一幅完整的皇穹宇畫麵。最後，值得一提的是天壇的規劃不落俗套，它擺脫了曆來以中軸線對局的布局設計方式，而將內壇建於外壇南北軸線以東，同時又將祈穀、圜丘兩壇的中心聯線移至內壇南北軸線以東，使得兩壇的中心聯線和外壇兩牆的距離能夠延長近二百米，使人感到視野開闊，深遠。所有這些，與前述的種種處理手法，均突出表現了“天”的神聖、崇高、把“天”具體化，滿足了祭祀建築的特定要求和最佳效果，堪稱形式與內容的完美結合。除上述主要建築群外，天壇尚有七十二長廊、齋宮、神樂署等建築群，它們也各有其特色，但稍遜於前述主要建築群。