Nguyên ở nơi này trước kia là miếu thờ ông Nguyễn Phúc Côn, thân sinh vua Gia Long gọi là tòa Hoàng Khảo miếu. Đến năm Minh Mạng thứ 2 (1821), Hoàng Khảo miếu được dời lùi về phía bắc khoảng 50 mét để dành vị trí xây tòa Thế Tổ miếu thờ vua Gia Long và hoàng hậu. Miếu được xây dựng trong 2 năm (1821-1822), ban đầu chỉ dành để thờ Thế Tổ Cao hoàng đế (vì thế mới có tên gọi Thế Tổ miếu), nhưng về sau trở thành nơi thờ tất cả các vị vua của triều Nguyễn.