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.

Dưới thời Nguyễn, miếu Lịch Đại Đế Vương thường xuyên được chăm sóc, tu bổ, đặc biệt là vào các năm 1831, 1843, 1848, 1902, v.v... Tuy nhiên, về cuối triều Nguyễn, do tình hình tài chính eo hẹp, miếu càng ngày càng ít được tu bổ hơn. Đến năm 1914, theo bác sĩ A. Sallet và nhà nghiên cứu Nguyễn Đình Hoè trong bài khảo cứu Liệt kê các đền miếu và những nơi thờ tự ở Huế (Enumération des temples et lieux de culte de Hué B.A.V.H 1914, No 2) miếu vẫn còn gần như nguyên vẹn nhưng các văn tự trên cổng tam quan đã bị xoá. Hình ảnh này thể hiện khá rõ nét trên hai bức tranh vẽ bằng bút sắt vẽ của hoạ sĩ Nguyễn Thứ thực hiện trong thời kỳ này. Khi ấy diện mạo toàn khu miếu cũng như ngôi miếu chính vẫn còn khá nguyên vẹn và rất đẹp. Đáng tiếc là sau khi triều Nguyễn sụp đổ, miếu Lịch Đại Đế Vương không được ai chăm sóc, bảo quản nên bị xuống cấp rất nhanh.[3]

Năm 1959, Viện Khảo cổ Sài Gòn có bản vẽ nhằm tái thiết công trình này, song chẳng được thực thi. Ngày 26-11-1966, Uỷ ban điều tra hiện trạng miếu Lịch Đại Đế Vương lập bản tường trình rằng nguyên tổng diện tích khu miếu toạ lạc là 5.485m2, nhưng đến thời điểm đó chỉ còn 2.566m2 (bao gồm 630m2 nền miếu chính bị bỏ hoang cùng 1.966m2 đất vườn), số đất còn lại là 2.888m2 đã bị 13 gia đình chiếm đóng.

Rồi chiến tranh cùng nhiều nguyên nhân khác đã khiến ngôi miếu nổi tiếng trên bị đổ nát và dần dần rơi vào quên lãng. Dân di cư và một số gia đình binh sĩ chế độ cũ đã cư lấn chiếm dần khuôn viên khu miếu và biến nơi này thành bình địa.