據史料記載，有正式祭祀天地的活動，可追溯到公元前兩千年，尚處於奴隸製社會的夏朝。中國古代帝王自稱「天子」，他們對天地非常崇敬。天壇是明永樂十八年（1420年）仿南京形製建天地壇，合祭皇天後土，當時是在大祀殿行祭典。嘉靖九年（1530年）嘉靖皇帝聽大臣言：「古者祀天於圜丘，祀地於方丘。圜丘者，南郊地上之丘，丘圜而高，以象天也。方丘者，北郊澤中之丘，丘方而下，以象地也。」於是決定天地分祭，在大祀殿南建圜丘祭天，在北城安定門外另建方澤壇祭地。嘉靖十三年（1534年）圜丘改名天壇，方澤改名地壇。大祀殿廢棄後，改為祈穀壇。嘉靖十七年（1538年）祈穀壇被廢，於十九年在壇上另建大享殿，二十四年建成。清乾隆十六年（1751年）改名祈年殿。以後多次修繕、擴建。
天壇公園，是明清兩代皇帝每年祭天和祈禱五穀豐收的地方。天壇以嚴謹的建築佈局、奇特的建築構造和瑰麗的建築裝飾著稱於世。總佔地面積約270萬平方米，分為內壇和外壇。主要建築物在內壇，南有圜丘壇、皇穹宇，北有祈年殿、皇乾殿，由一條貫通南北的甬道－－丹陛橋，把這二組建築連接起來。外壇古柏蒼鬱，環繞著內壇，使主要建築群顯得更加莊嚴宏偉。壇內還有巧妙運用聲學原理建造的回音壁、三音石、對話石等，充分顯示出古代中國建築工藝的發達水平。天壇公園，是中國保存下來的最大祭壇建築群。
天壇有壇牆兩重，形成內外壇，均為北圓南方。當初，為了把天地的形象表現在牆上，以象徵「天圓地方」之說。外壇牆的東南北三面原製無門，只西面臨永定門內大街有門兩座：北門是明代舊有的，稱「祈穀壇門」；南門是乾隆十七年（1752年）增建的，稱「圜丘壇門」。兩門均為三間拱券式，綠琉璃簡瓦歇山式頂。時下的外壇北門和東門，都是1975年以後增建的。內壇中間還有一道東西向的隔牆，它算作圜丘壇的北牆。這段隔牆在兩軸線部位成弧形向北凸出，繞過皇穹宇外牆而與東西內壇牆相連接，將祈穀、圜丘兩壇隔成兩個區域。
內壇的圜丘位南，祈穀位北，均在南北中軸線上，中間由長360米、寬30米的神道（丹陛橋）連成一個整體。圜丘壇內主要建築有圜丘台（祭天台）、皇穹宇（奉神殿、神庫與神廚、宰牲亭）等；祈穀壇內主要建築有祈年門、大祀殿（祈年殿）、東西配殿、皇乾殿、長廊（附七星石）、神庫與神廚、宰牲亭等。
天壇是祈穀、圜丘兩壇的總稱，有兩重壇牆環繞，將壇域分為內、外壇兩部分，均為南方北圓。壇內祭祀建築集中於內壇，內壇四面設門。連接兩壇的的軸線，是一條長360米、寬28米、高2.5米的磚石台，稱為「神道」又稱「海墁大道」，也叫「丹陛橋」。它寓意著上天庭要經過漫長的道路。圜丘壇建築群位於中軸線的南端，是明清兩代皇帝祭祀皇天上帝的祭壇。圜丘壇之北是皇穹宇。祈穀壇位於中軸線的北端，主體建築即祈年殿，壇中還有祈年門、皇乾殿、東西配殿、燔柴爐、瘞坎、磚門等建築，附屬建築有72連房、神廚、宰牲亭等。圜丘壇、祈穀壇的附屬建築多在其東，這種佈局使天壇西部壇域開闊。內壇西天門內偏南位置建有一城濠環繞的宮城，名「齋宮」，是皇帝祭祀把前「齋戒」期間居住的宮室。
1900年八國聯軍曾在天壇齋宮內設立司令部，在圜丘上架炮。文物、祭器被席捲而去，建築、樹木慘遭破壞。1949年中華人民共和國成立後，政府對天壇的文物古蹟投入大量的資金，進行保護和維修。進行過多次修繕和大規模綠化，使古老的天壇更加壯麗，公園佔地200公頃，四面各有一門。園內有二百年以上的古柏二千五百多棵。還有百花園種植了大量的花卉。
1961年，國務院公佈天壇為「全國重點文物保護單位」。1998年被聯合國教科文組織確認為「世界文化遺產」。2007年5月8日，天壇公園經國家旅遊局正式批準為國家5A級旅遊景區。
