Nguyễn Phúc Luân, đáng lẽ sẽ là người lên ngôi chúa, nhưng trong nội bộ chúa Nguyễn có loạn quyền thần Trương Phúc Loan nên ông bị giam vào ngục và mất tại nhà riêng. Tuy mất sớm (32 tuổi): nhưng ông đã để lại đến 6 người con trai và 4 người con gái, trong đó có Nguyễn Phúc Ánh, tức Gia Long - vị hoàng đế đầu tiên của triều Nguyễn sau này.[3]

Sau khi lên ngôi hoàng đế năm 1802, vua Gia Long tìm lại mộ phần của cha và xây dựng một ngôi miếu để thờ phụng. Theo sách sử triều Nguyễn, việc xây dựng được hoàn tất chỉ trong 4 tháng (tháng 4 năm 1804 đến tháng tháng 8 năm 1804) trên địa điểm của Thế miếu ngày nay, chính thức sử dụng từ tháng 3 năm 1805, ngôi miếu khi ấy có tên là Hoàng Khảo miếu (ngôi miếu dùng để thờ phụng vua cha).[3][4]

Đến năm 1821, vua Minh Mạng cho dời Hoàng Khảo miếu lùi về phía sau địa điểm cũ 50m để sử dụng khu đất của Hoàng Khảo miếu xây Thế miếu. Công việc di dời diễn ra từ 23-3 đến 16-4, sau khi hoàn tất ông cho đổi tên khu miếu thành Hưng Tổ miếu.[2][4]

Tháng 2 năm 1947, khu miếu bị đốt cháy cùng với Tử Cấm thành và nhiều cung điện khác trong đợt tiêu thổ kháng chiến của Việt Minh.[4]

Năm 1950, Bảo Đại về Huế mua lại An Khánh vương từ, vốn là nơi thờ một người dòng dõi hoàng tộc là An Khánh vương Nguyễn Phúc Quang (con vua Gia Long) với giá 300.000 đồng (tiền lúc ấy) để xây dựng lại thành Hưng miếu mới. Năm 1951, một nhà thầu lúc bấy giờ có tên là Nguyễn Ngọc Bang được giao việc dời An Khánh vương từ về tái lập thành Hưng miếu mới.[5][6]

Năm 1995, nó được trùng tu lại một lần nữa. Trong lần này, miếu được sơn son thiếp vàng.[2]