今日的天壇建築群，是明清兩代祭拜上天與祈禱豐收的地方。雖然，其主要建築都是清代重建的，但基本的建築格局，在明代已經奠定，清代只是沿用明代的空間與格局，在原址上修復重建。明代的祭天儀式經歷了一系列變化，直到明代中葉的嘉靖年間，才形成了今天我們所知道的樣式。

根據《明史》記載，朱元璋立國之初，將國都設在六朝古都建康，將其定名為南京，並仿照歷代帝王都城郊壇的格局，在南京南郊正陽門外，建立了祭天的圜丘壇，同時在北郊太平門外，建立了祭地的方丘壇。這布局與歷代郊祀制度相合，即在都城的南郊祭天，北郊祭地，成天、地分祀的格局。

壇的形式，也與歷朝比較接近。如祭天的圜丘壇為兩重壇台，壇台周圍設有磚築琉璃飾面的欄楯。在兩重壇台之外15丈的位置上，設有方形的牆，牆的高度是8.1尺。在四個方向的牆上，各設有欞星門，南側為三門，東、西、北三側各為一門。這就是內牆的格局。在距內牆15丈的位置，再設一道外垣牆。外垣牆上設門的制度與內牆一致，即在南面設三門，在東、西、北三面，各設一門。此外還有其他設施，如神祇壇、神庫、廚房、庫房、宰牲房、天池、執事齋舍、燎壇。

十分明顯，明初的圜丘壇，與我們現在所看到的天壇有諸多不同。明洪武四年（1371年），明太祖又重新改築圜丘。其壇台的式樣仍然是兩重。從大小規模與壇台高度上，比起最初建造的圜丘壇小很多，仍然沒有看到今日的三重壇台圜丘式樣與內外牆格局，也沒有看到祭天而用的圜丘壇與祈禱豐年的祈年殿並列設置的建築組群格局。

洪武十年（1377年），朱元璋想將天地神祇合在一起祭祀。於是他在舊有的圜丘台之上，「以屋覆之，名曰大祀殿，凡十二楹」（《明史》，卷四十七）。大祀殿的形式並不清楚，其平面為十二楹，但似乎並不是後來的圓形平面用十二根柱子的做法，從現在留存的明代大祀殿圖來看，倒更像是一個矩形平面的大殿格局，所謂十二楹，有可能是面廣為十一間，正面為十二棵柱子的做法。大祀殿是將天與地合在一起祭祀的地方。在殿內的「中石台設上帝、皇地祇座」（《明史》，卷四十七）。東西兩側各有三十二間廡房。正南方向設大祀門，似為六柱五間的門殿，門殿兩側用步廊，與大祀殿兩廡相連，在大祀殿的後面設有天庫六間，殿的東北方向設有廚庫，廚庫之東北，另設宰牲亭。這些附屬建築，都通過步廊與大祀殿兩側的廡房相連。其外以圍牆相環繞，在圍牆的南牆上，開有三個石門洞，與大祀門相連通。圍牆以內的部分，被稱為內壇。在內壇之外，繚繞了一個周長為九里三十步的外周垣。在內壇南牆三個石門洞外，設有三條甬道。其中，中間一條為神道，左邊一條為御道，右邊一條為王道。在這三條甬道之外，在兩側設置得稍微低一些，是為從官所行走的道路。在外垣牆以內的西南位置上，設置有齋宮，宮呈東向布置，並在外牆的東南方位上，開鑿了二十個水池，專門用來在冬天時伐鑿冰塊，將冰塊隱藏於暗室中，以便夏秋時節舉行大祀典時保存祭品。值得注意的是，這次初建的大祀殿及其廡房和附屬用房的屋頂，都採用了與宮殿建築一樣的黃色琉璃，後來才改為與天壇的祭天功能相匹配的青色琉璃瓦。這一建造格局直接影響了後來的北京明代天壇的規模、格局與建築。

到了明代中葉的嘉靖九年（1530年），嘉靖皇帝決定將合祀天地的制度改回到明初分設天壇圜丘與地壇方澤的制度上。與明初的規制相比，他仍然保留了既有的大祀殿建築，將其與祭天用的圜丘壇並置於南郊天壇的外垣以內，並將其原有的合祀天地的功能，改為祈穀的功能。據《明史》記載，在嘉靖之前，並沒有實行祈穀的儀典，嘉靖年間，「因諸臣固請，乃許於大祀殿祈穀，奉二祖配。嘉靖十年，始以孟春上辛日行祈穀禮於大祀殿」（《明史》，卷四十八），稱之為祈穀殿。所以，祈年殿建築群，其前身是明代的大祀殿，是為了合祀天地而設置的。

明代的祈穀儀式也不是全在大祀殿中舉行。嘉靖十八年（1539年），因臣子主張祈穀儀式改為在大內的玄極寶殿（即今日尚存的欽安殿）舉行。這使得為合祀而建造的大祀殿的作用與功能變得更為尷尬。到了嘉靖二十一年（1542年），他乾脆將原有的大祀殿拆除，並按照自己的設計，重新建造了一座新殿，文獻記載為大享殿或者「泰享殿」，專門用來舉行古代帝王的「大享明堂」之禮。由此可以想像，明初大祀殿並非今日我們所熟知的三重屋簷、圓形屋頂的造型，而經過嘉靖帝改造重建的大享殿，已經與我們今天所見到的祈年殿的形式十分接近了。而大享殿初設的功能，又與歷代帝王所崇奉的明堂大享禮儀有關聯，這才將天壇與傳統的明堂建築建立了一層關聯。當然，實際上，到了明代，對於明堂大享儀式的追求，早已沒有了之前古代帝王的熱情，儘管嘉靖帝一時衝動建造了用於明堂大享之禮的殿堂，他也沒有實際在這裏舉行過這樣的大典，而僅僅是在宮內就近的玄極殿敷衍行事。到了其後的隆慶帝，有大臣提出：「先農親祭，遂耕藉田，即祈穀遺意。今二祀並行於春，未免煩數。且玄極寶殿在禁地，百官陪祀，出入非便。宜罷祈穀，止先農壇行事。」（《明史‧卷四十八》）這一建議得到隆慶帝採納。