Miếu Lịch đại đế vương khi hoàn thành có năm gian. Do thể chế nhà Nguyễn phỏng theo Trung Quốc, nên trong miếu thờ Tam Hoàng, Ngũ Đế của Trung Quốc; trong đó gian chính giữa thờ Phục Hy, vị trí trái đầu tiên thờ Thần Nông, vị trí phải đầu tiên thờ Hoàng Đế. Tiếp theo là Ngũ Đế và một số vị vua thời Thương Chu của Trung Quốc, bên trái lần lượt là Đế Nghiêu, Hạ Vũ, Chu Văn Vương; bên phải lần lượt là Đế Thuấn, Thang Thương Vương, Chu Vũ Vương.

Các vị vua thủy tổ Việt Nam được thờ tại gian đầu bên trái, gồm có Kinh Dương Vương, Lạc Long Quân, Hùng Vương, Sĩ Vương, Đinh Tiên Hoàng. Gian đầu phía bên phải thờ Lê Đại Hành, Lê Thái Tổ, Lê Thánh Tông, Lê Nhân Tông.

Gian thứ hai bên trái thờ Trần Thái Tông, Trần Nhân Tông, Trần Anh Tông. Gian thứ hai bên phải thờ Lê Thái Tổ, Lê Thái Tông, Lê Trang Tông, Lê Anh Tông.

Đến năm Minh Mạng thứ 10 (1829), triều đình bỏ thờ Lê Anh Tông, đổi thờ Sĩ Nhiếp sang Văn Miếu. Hai đầu đông tây dựng lên Đông vu và Tây vu, mỗi vu đặt 5 án thờ danh thần. Đông vu thờ các danh thần Trung Quốc là Phong Hậu, Cao Dao, Long Bá Ích, Phó Duyệt, Lã Vọng, Thiệu Hổ và các danh thần Việt Nam là Nguyễn Bặc, Lê Phụng Hiểu, Tô Hiến Thành, Trần Nhật Duật, Trương Hán Siêu, Lê Niệm, Lê Xí, Hoàng Đình Ái. Tây vu thờ các danh thần Trung Quốc là Lực Mục, Hậu Quỳ, Bá Di, Y Doãn, Chu Công Đán, Thiệu Công Thích, Phương Thú, Lê Hiến, và các danh thần Việt Nam là Lý Thường Kiệt, Trần Quốc Tuấn, Phạm Ngũ Lão, Đinh Liệt, Lê Khôi, Trịnh Duy Thuân, Phùng Khắc Khoan.

Phía trái Miếu Lịch đại đế vương có một miếu riêng thờ Lê Thánh Tông, là vị vua có công mở rộng bờ cõi phía nam. Năm 1924 đời Khải Định, do miếu bị đổ nát nên triều đình cho dời bài vị Lê Thánh Tông qua thờ chung tại Miếu Lịch đại đế vương.

Do ảnh hưởng của chiến tranh, ngôi miếu hiệu nay đã đổ nát, hiện chỉ còn sót lại một ít di tích.[2]