Để trở thành Đàn Nam Giao, những người thiết kế và thi công đã ban xẻ núi Bân thành ba khối hình nón cụt chồng lên nhau tăng dần theo chiều cao. Từ chân núi lên đỉnh ở độ cao 37 m, là tầng thứ nhất có chu vi 220 m. Bề rộng của tầng này không đều nhau. Ngay ở chính giữa mặt tầng thứ nhất về phía Tây Nam, hiện còn dấu vết một tầng phụ cao 1 m.

Tầng thứ hai có chu vi 122,5 m, chiều cao so với tầng thứ nhất là 1,65 m.

Tầng thứ ba ở ngay đỉnh đồi, bề mặt khá phẳng, có chu vi 52,7 m và cao hơn tầng thứ hai 1,2 m.

Đường lên đàn theo bốn hướng (Đông, Tây, Nam, Bắc), bề rộng các con đường càng lên cao càng thu hẹp dần, bề ngang ở tầng thứ nhất là 5,2 m, ở tầng thứ hai chỉ còn 4 m...[1]

Và để sử dụng lâu dài, sau khi Nguyễn Huệ làm lễ lên ngôi và xuất quân ra Bắc năm 1788, người ta đã dùng gạch [2] và đá xếp thành ba vòng tròn bó vỉa quanh ba tầng đàn (hiện nay chỉ còn lại dấu vết) nhằm hạn chế sự xói lở. Nhờ vậy, đàn vẫn được tiếp tục sử dụng để làm lễ cáo trời cho đến khi kinh đô Phú Xuân (Huế) bị chúa Nguyễn Phúc Ánh dẫn quân ra chiếm lấy vào mồng 3 tháng 5 năm Tân Dậu (15 tháng 6 năm 1801).