Tổng thể di tích Thái Miếu là một tổ hợp kiến trúc khá lớn, với trên 10 hạng mục công trình nằm trong khuôn viên có tổng diện tích 14.904m vuông, được bố trí đúng theo nguyên tắc chung của kiến trúc triều Nguyễn. [2]

Trong đó, nhà chính Thái Miếu là ngôi nhà bằng gỗ lớn nhất trong tất cả các cung điện được xây dựng dưới triều Nguyễn, một công trình kiến trúc gỗ gần tương tự như Thế miếu. Thái miếu theo lối nhà kép trùng thiềm điệp ốc, chính đường 13 gian 2 chái kép, tiền đường 15 gian 2 chái đơn. Phía đông điện chính là điện Long Đức, phía nam có điện Chiêu Kính. Đối diện với điện Chiêu Kính ở phía tây là điện Mục Tư, phía bắc điện là Triệu Tổ miếu.

Trước sân Thái miếu có gác Tuy Thành (tên cũ là gác Mục Thanh), 3 tầng, hình thức tương tự như gác Hiển Lâm ở Thế miếu. Hai bên gác Tuy Thành có tường ngắn, trên có lầu chuông, lầu trống, dưới trổ cửa vòm. Phía nam của gác Tuy Thành, 2 bên có nhà Tả vu, Hữu vu. [1]

Toàn bộ khu vực Thái miếu có tường gạch bao bọc, trổ 5 cửa ra các phía. Các án thờ của chúa Nguyễn đều đặt trong tòa điện chính, bài vị phối thờ các công thần đặt ở Tả vu và Hữu vu. Lễ tế tổ chức 1 năm 5 lần vào các tháng mạnh xuân, mạnh hạ, mạnh thu, mạnh đông và quý đông. [1]