Hình thức của Đại Việt sử ký toàn thư được mô phỏng theo Tư trị thông giám (資治通鑑) của Tư Mã Quang thời Tống, nghĩa là sự kiện lịch sử được sắp xếp theo trình tự thời gian gọi là thể biên niên. Ngô Sĩ Liên chia tác phẩm ra làm hai phần là Ngoại kỷ và Bản kỷ dựa trên thời điểm chiến thắng Bạch Đằng của Ngô Quyền năm 938.[82] Thể biên niên khác với thể kỷ truyện truyền thống được các bộ chính sử của Trung Quốc sử dụng (phân chia theo tiểu sử của từng nhân vật lịch sử và được Tư Mã Thiên khởi xướng trong bộ Sử ký).[83] Trong bản kỷ của mỗi vị vua, Ngô Sĩ Liên luôn bắt đầu bằng lời giới thiệu ngắn gọn cung cấp một cách nhìn tổng quan về vị vua đó trong thời gian trị vì. Khi liệt kê các sự kiện, nhà sử học đôi khi bổ sung thêm một số câu chuyện về các nhân vật lịch sử đã được đề cập đến trong sự kiện đó, có những câu chuyện rất phong phú và chi tiết như về Trần Quốc Tuấn và Trần Thủ Độ. Toàn văn một số văn bản chính trị quan trọng cũng được Ngô Sĩ Liên đưa vào như Hịch tướng sĩ và Bình Ngô đại cáo.[83]

Nội dung cuốn sách chép các sự kiện lớn trong lịch sử nước Việt Nam từ thời Kinh Dương Vương và các vua Hùng (kỷ họ Hồng Bàng) cho đến triều đại nhà Hậu Lê với những lời bình chú, nhận xét tương đối khách quan của Ngô Sĩ Liên cũng như của các bậc tiền nhân (Lê Văn Hưu, Phan Phu Tiên). Có rất nhiều sự kiện được các ông đánh giá tương đối đúng bản chất mà sau này vì nhiều lý do (như ảnh hưởng tới những nhân vật lịch sử nổi tiếng hơn, ví dụ như nhận định về Nguyễn Bặc, Lê Hoàn (vua Lê Đại Hành), Dương Vân Nga trong thời kỳ triều đại của nhà Đinh) nhiều sử gia khác có ý định cắt bỏ. Tuy nhiên cũng có nhiều sự kiện vì lý do quan điểm tư tưởng phong kiến nên các ông đã có những nhận định không xác đáng (như trường hợp thái sư Lê Văn Thịnh thời nhà Lý). Cuốn sách lần đầu tiên được hoàn thành năm 1479 thời Lê Thánh Tông, sau đó được các sử gia khác chỉnh lý lại và bổ sung (từ các quyển 12 đến quyển 19).