Ngay sau khi lên ngôi (1802), vua Gia Long cho lập đàn ở làng An Ninh vào năm 1803. Sau đó ít năm, triều đình lại bỏ vị trí ấy, cho xây dựng đàn tế khác ở đất làng Dương Xuân phía nam kinh thành Huế (di tích nay đang bảo lưu).
Ðàn tế trời được khởi công xây dựng vào ngày 25/3/1806. Ðầu năm 1807, triều đình Gia Long đã cử hành lễ tế Giao lần đầu tiên tại đây.
Ðàn Nam Giao là đàn tế lộ thiên. Mô thức kiến trúc này mang ý nghĩa vừa tôn giáo vừa chính trị của nền quân chủ phương Ðông. Ðàn Nam Giao gắn với thuyết Thiên mệnh của đạo Nho. Cấu trúc đàn diễn tả quan niệm vũ trụ còn hạn chế của bao triều đại trước: Trời tròn, đất vuông.
Ðàn Nam Giao quay mặt về hướng nam. Vòng 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 bình 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 Ðông màu xanh, cửa Tây màu trắng.
Ðàn tế được cấu trúc thành ba tầng, dưới lớn, trên nhỏ chồng lên nhau tượng trưng cho thuyết tam tài: Thiên, Ðịa, Nhân. Mỗi tầng mang một hình dạng và màu sắc riêng: Trời tròn, đất vuông, thiên thanh địa hoàng. Tầng trên cùng hình tròn gọi là Viên Đàn tượng trưng cho trời. Lan can chung quanh quét vôi màu xanh. Ngày tế giao, người ta dựng lên ở tầng này một cái nhà hình nón lợp vải màu xanh gọi là Thanh Ốc. Tầng nối tiếp theo có hình vuông gọi là Phương Ðàn tượng trưng cho đất. Lan can bốn phía quét vôi màu vàng (địa hoàng). Khi tế, triều đình cho dựng ở đây một cái nhà vuông lợp vải vàng, nhỏ hơn nhà trên, gọi là Hoàng Ốc. Tầng dưới cũng hình vuông, lan can xung quanh quét vôi màu đỏ tượng trưng cho người. Khi tế, tại đây có 128 văn sinh và vũ sinh đứng múa. Ba tầng cộng lại cao 4,65m. Ðàn Nam Giao áp dụng nguyên tắc Âm dương ngũ hành của Dịch học.
Từ thời Gia Long (1802 - 1819), lễ tế giao được cử hành vào thượng tuần tháng hai âm lịch hằng năm. Từ năm 1880, vì thấy mỗi lần tế lễ quá tốn kém nên triều đình Thành Thái thay đổi ba năm mới tế một lần vào các năm Tý, Mão, 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 Ðại rút xuống còn một ngày. Từ Ðại 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. Ðại lễ chính thức bắt đầu lúc 2 giờ sáng và kéo dài gần 3 giờ mới xong...
Những đàn tế trời của các thời Lý, Trần, Lê nay đều không còn nữa. Ðàn Nam Giao triều Nguyễn ở Huế là di tích duy nhất còn lại tương đối nguyên vẹn. Ðến thăm nơi đây, du khách có dịp hiểu biết thêm nhiều lĩnh vực của đời sống văn hoá, tinh thần trong triều đình phong kiến Việt Nam.