Năm 1804, Gia Long cho xây dựng miếu Hoàng Khảo ở vị trí của Thế Miếu ngày nay để thờ cha mình là Nguyễn Phúc Luân. Sau khi vua Gia Long mất, Minh Mạng lên nối ngôi, năm 1821 ông đã cho dời miếu Hoàng Khảo lui về phía sau vài chục mét, đổi thành Hưng Miếu, còn xây Thế Miếu vào vị trí ấy vào năm 1821 - 1822 để thờ vua Gia Long,  và các vua kế vị về sau.

Thế Miếu được xây dựng trên mặt bằng 1.500m^² , cũng là toà nhà kép theo kiểu "trùng thiềm, trùng lương" như Ðiện Thái Hoà. Tiền doanh ( nhà trước) có 11 gian và chính doanh (nhà sau) có 9 gian.

Hai doanh nối với nhau bằng trần vỏ cua. Tất cả có chung một đường mà ngăn riêng từng thất  tức là cùng một toà nhà mà chia ra nhiều ngăn, một gian thiết trí, một án thờ giành cho một vị vua.

Nền Thế Miếu cao, ngày xưa lát gạch men Bát Tràng màu vàng và lục. Qua các lần tu sửa trước năm 1975, nền tiền doanh được lát lại bằng gạch hoa tráng men vàng, nền chính doanh tráng xi măng. Các cột kèo, đòn tay, liên ba, đố bản đều sơn thếp nhưng màu sắc nay đã phai úa đi nhiều... Chỉ có các khám thờ và án thờ còn giữ được màu sơn son thếp vàng. Trước mỗi khám thờ đều treo một bức sáo để che.

Bộ mái trước kia lợp ngói ống men vàng (hoàng lưu ly) nay đã thay bằng ngói thường. Trên nóc nhà trước chắp bằng pháp lam ngũ sắc. Các bờ nóc, bờ quyết  đều đắp hình rồng nhưng đơn giản...

Nội thất Thế Miếu, cho đến giữa thế kỷ 20 (1954) chỉ có 7 án thờ, mỗi án một gian, các gian thừa để trống.