今日的天坛建筑群，是明清两代祭拜上天与祈祷丰收的地方。虽然，其主要建筑都是清代重建的，但基本的建筑格局，在明代已经奠定，清代只是沿用明代的空间与格局，在原址上修复重建。明代的祭天仪式经历了一系列变化，直到明代中叶的嘉靖年间，才形成了今天我们所知道的样式。

根据《明史》记载，朱元璋立国之初，将国都设在六朝古都建康，将其定名为南京，并仿照历代帝王都城郊坛的格局，在南京南郊正阳门外，建立了祭天的圜丘坛，同时在北郊太平门外，建立了祭地的方丘坛。这布局与历代郊祀制度相合，即在都城的南郊祭天，北郊祭地，成天、地分祀的格局。

坛的形式，也与历朝比较接近。如祭天的圜丘坛为两重坛台，坛台周围设有砖筑琉璃饰面的栏楯。在两重坛台之外15丈的位置上，设有方形的墙，墙的高度是8.1尺。在四个方向的墙上，各设有棂星门，南侧为三门，东、西、北三侧各为一门。这就是内墙的格局。在距内墙15丈的位置，再设一道外垣墙。外垣墙上设门的制度与内墙一致，即在南面设三门，在东、西、北三面，各设一门。此外还有其他设施，如神祇坛、神库、厨房、库房、宰牲房、天池、执事斋舍、燎坛。

十分明显，明初的圜丘坛，与我们现在所看到的天坛有诸多不同。明洪武四年（1371年），明太祖又重新改筑圜丘。其坛台的式样仍然是两重。从大小规模与坛台高度上，比起最初建造的圜丘坛小很多，仍然没有看到今日的三重坛台圜丘式样与内外墙格局，也没有看到祭天而用的圜丘坛与祈祷丰年的祈年殿并列设置的建筑组群格局。

洪武十年（1377年），朱元璋想将天地神祇合在一起祭祀。于是他在旧有的圜丘台之上，“以屋覆之，名曰大祀殿，凡十二楹”（《明史》，卷四十七）。大祀殿的形式并不清楚，其平面为十二楹，但似乎并不是后来的圆形平面用十二根柱子的做法，从现在留存的明代大祀殿图来看，倒更像是一个矩形平面的大殿格局，所谓十二楹，有可能是面广为十一间，正面为十二棵柱子的做法。大祀殿是将天与地合在一起祭祀的地方。在殿内的“中石台设上帝、皇地祇座”（《明史》，卷四十七）。东西两侧各有三十二间庑房。正南方向设大祀门，似为六柱五间的门殿，门殿两侧用步廊，与大祀殿两庑相连，在大祀殿的后面设有天库六间，殿的东北方向设有厨库，厨库之东北，另设宰牲亭。这些附属建筑，都通过步廊与大祀殿两侧的庑房相连。其外以围墙相环绕，在围墙的南墙上，开有三个石门洞，与大祀门相连通。围墙以内的部分，被称为内坛。在内坛之外，缭绕了一个周长为九里三十步的外周垣。在内坛南墙三个石门洞外，设有三条甬道。其中，中间一条为神道，左边一条为御道，右边一条为王道。在这三条甬道之外，在两侧设置得稍微低一些，是为从官所行走的道路。在外垣墙以内的西南位置上，设置有斋宫，宫呈东向布置，并在外墙的东南方位上，开凿了二十个水池，专门用来在冬天时伐凿冰块，将冰块隐藏于暗室中，以便夏秋时节举行大祀典时保存祭品。值得注意的是，这次初建的大祀殿及其庑房和附属用房的屋顶，都采用了与宫殿建筑一样的黄色琉璃，后来才改为与天坛的祭天功能相匹配的青色琉璃瓦。这一建造格局直接影响了后来的北京明代天坛的规模、格局与建筑。

到了明代中叶的嘉靖九年（1530年），嘉靖皇帝决定将合祀天地的制度改回到明初分设天坛圜丘与地坛方泽的制度上。与明初的规制相比，他仍然保留了既有的大祀殿建筑，将其与祭天用的圜丘坛并置于南郊天坛的外垣以内，并将其原有的合祀天地的功能，改为祈谷的功能。据《明史》记载，在嘉靖之前，并没有实行祈谷的仪典，嘉靖年间，“因诸臣固请，乃许于大祀殿祈谷，奉二祖配。嘉靖十年，始以孟春上辛日行祈谷礼于大祀殿”（《明史》，卷四十八），称之为祈谷殿。所以，祈年殿建筑群，其前身是明代的大祀殿，是为了合祀天地而设置的。

明代的祈谷仪式也不是全在大祀殿中举行。嘉靖十八年（1539年），因臣子主张祈谷仪式改为在大内的玄极宝殿（即今日尚存的钦安殿）举行。这使得为合祀而建造的大祀殿的作用与功能变得更为尴尬。到了嘉靖二十一年（1542年），他干脆将原有的大祀殿拆除，并按照自己的设计，重新建造了一座新殿，文献记载为大享殿或者“泰享殿”，专门用来举行古代帝王的“大享明堂”之礼。由此可以想像，明初大祀殿并非今日我们所熟知的三重屋檐、圆形屋顶的造型，而经过嘉靖帝改造重建的大享殿，已经与我们今天所见到的祈年殿的形式十分接近了。而大享殿初设的功能，又与历代帝王所崇奉的明堂大享礼仪有关联，这才将天坛与传统的明堂建筑建立了一层关联。当然，实际上，到了明代，对于明堂大享仪式的追求，早已没有了之前古代帝王的热情，尽管嘉靖帝一时冲动建造了用于明堂大享之礼的殿堂，他也没有实际在这里举行过这样的大典，而仅仅是在宫内就近的玄极殿敷衍行事。到了其后的隆庆帝，有大臣提出：“先农亲祭，遂耕藉田，即祈谷遗意。今二祀并行于春，未免烦数。且玄极宝殿在禁地，百官陪祀，出入非便。宜罢祈谷，止先农坛行事。”（《明史‧卷四十八》）这一建议得到隆庆帝采纳。