Bên trong miếu, ngoài án thờ vua Gia Long và 2 hoàng hậu đặt ở gian giữa, các án thờ của các vị vua còn lại đều theo nguyên tắc "tả chiêu, hữu mục" để sắp đặt. Tuy nhiên, theo gia pháp của họ Nguyễn, các vị vua bị coi là "xuất đế" và "phế đế" đều không được thờ trong tòa miếu này, do đó, trước năm 1958, bên trong Thế Tổ Miếu chỉ có 7 án thờ của các vị vua dưới đây:[1]

1. Án thờ Thế Tổ Cao hoàng đế (vua Gia Long) và hai Hoàng hậu Thừa Thiên, Thuận Thiên ở gian chính giữa.
2. Án thờ Thánh Tổ Nhân hoàng đế (vua Minh Mạng) và Hoàng hậu Tá Thiên ở gian tả nhất (gian thứ nhất bên trái, tính từ gian giữa).
3. Án thờ Hiến Tổ Chương hoàng đế (vua Thiệu Trị) và Hoàng hậu Nghi Thiên ở gian hữu nhất (gian thứ nhất bên phải, tính từ gian giữa).
4. Án thờ Dực Tông Anh hoàng đế (vua Tự Đức) và Hoàng hậu Lệ Thiên ở gian tả nhị (gian thứ hai bên trái).
5. Án thờ Giản Tông Nghị hoàng đế (vua Kiến Phúc) ở gian hữu nhị (gian thứ hai bên phải).
6. Án thờ Cảnh Tông Thuần hoàng đế (vua Đồng Khánh) và Hoàng hậu Phụ Thiên ở gian tả tam (gian thứ ba bên trái).
7. Án thờ Hoằng Tông Tuyên hoàng đế (vua Khải Định) và Đoan Huy hoàng thái hậu ở gian hữu tam (gian thứ ba bên phải).

Đến tháng 10 năm 1958, án thờ 3 vị vua chống Pháp vốn bị liệt vào hàng "xuất đế" không được thờ trong Thế Tổ miếu[2] là Hàm Nghi, Thành Thái và Duy Tân đã được Hội đồng Nguyễn Phúc tộc rước vào thờ ở Thế Tổ miếu[2]. Hiện nay án thờ vua Hàm Nghi được đặt ở gian tả tứ (gian thứ tư bên trái). Án thờ vua Thành Thái đặt ở gian tả ngũ (gian thứ năm bên trái), còn án thờ vua Duy Tân đặt ở gian hữu tứ (gian thứ tư bên phải). Còn các án thờ Cung Tông Huệ hoàng đế (vua Dục Đức), Hiệp Hòa và Bảo Đại đến nay vẫn chưa có mặt trong Thế Tổ miếu.[2]