Khi vừa lên ngôi vua Gia Long cho lập đàn Nam Giao ở làng An Ninh để làm lễ tế trời hàng năm. Năm 1806 ông cho lập đàn khác ở vùng gò đồi Dương Xuân. Đó là đàn Nam Giao hiện nay. Đàn xây lộ thiên gồm 3 tầng chồng lên nhau, tượng trưng cho thuyết Tam tài: Thiên - Địa – Nhân. Mỗi tầng có một hình dạng, màu sắc riêng.
Tầng trên hình tròn, lan can xung quanh sơn màu xanh, tượng trưng cho trời, có tên là Viên Đàn. Tầng giữa hình vuông, lan can sơn màu vàng, tượng trưng cho đất, gọi là Phương Đàn. Tầng dưới cũng hình vuông, tượng trưng cho người nên lan can xung quanh được sơn màu đỏ. Khuôn viên đàn Nam Giao hình chữ nhật, chiều dài 390m, chiều rộng 265m, xung quanh có tường thành bao bọc, bát ngát một màu xanh của thông; bốn hướng đều có cửa ra vào, cửa chính hướng Nam. Trong khuôn viên rộng lớn ấy có một số công trình kiến trúc nhỏ: Trai Cung (nơi vua nghỉ ngơi, trai giới cho thanh tịnh trước khi đăng đàn tế lễ), Thần Trù (nơi nấu nướng phục vụ tế lễ), Thần Khố (nhà kho cất đồ dùng phục vụ tế lễ). Trước ngày lễ có một số công trình tạm được dựng lên như: Thanh ốc, hình nón, lợp vải màu xanh, ở trên Viên Đàn. Hoàng ốc, nhà vuông, lợp vải màu vàng, ở trên Phương Đàn. Đại thử, chỗ nghỉ ngơi của vua… Đàn Nam Giao ở Huế là di tích đàn tế trời duy nhất của nhà nước quân chủ Việt Nam còn hiện hữu. Người xưa tin vào thuyết Thiên mệnh, họ quan niệm vua là Thiên tử, thay trời hành đạo ở trần gian. Giữ đạo làm con hàng năm vua phải đích thân làm chủ lễ tế trời ở đàn Nam Giao.
Từ đầu triều Nguyễn, hàng năm lễ tế trời được tổ chức vào đầu tháng 2 (âm lịch). Bộ Công và Bộ Lễ có nhiệm vụ chuẩn bị chu đáo từ vài tháng trước đó. Khâm Thiên Giám lo việc xem ngày từ đầu tháng giêng. Chọn được ngày tốt vua ban dụ, niêm yết ở Phu Văn Lâu để chúng thần và nhân dân đều biết mà có sự chuẩn bị. Các quan được dự lễ tế Giao phải trai giới trước đó 3 ngày. Các làng xã dọc theo lộ trình của đạo ngự từ Ngọ Môn đến Trai Cung thi đua nhau làm cổng chào, đặt hương án để lạy mừng khi xa giá của nhà vua đi qua. Mỗi lần lên tế Giao bản thân nhà vua cũng phải trai giới 3 ngày tại Trai Cung, nằm ở phía tây đàn Nam Giao. Đoàn Ngự Đạo lên Trai Cung thường từ 1.000 đến 5.000 người. Về hình thức thì đây là một Trung đạo, Hậu đạo. Khởi hành từ Đại Nội lúc 8h nhưng phải có đủ hoàng thân quốc thích, văn võ bá quan, lính tráng, voi ngựa, cờ quạt, trướng liễn, tàn lọng, các ban đại nhạc, vũ công, phường bát âm… Lễ tế kéo dài từ lúc 2h đến 5h sáng trong không khí thành kính, trang nghiêm. Trong quá trình hành lễ có cử đại nhạc, bát âm, vũ công, ca công hát 9 khúc nhạc tế theo 9 giai đoạn của buổi lễ.
Sau buổi lễ vua trở về Trai Cung, các Hoàng thân, đại thần đến làm lễ khánh hạ, lạy mừng nhà vua. Trời vừa sáng Ngự Đạo hồi cung; đội hình cũng giống như khi từ Đại Nội lên Nam Giao, chỉ có khác là lúc này có cử nhạc vui vẻ, thể hiện sự hân hoan của thần dân sau khi vua vừa hoàn thành mỹ mãn một đại lễ quan trọng vào dịp đầu năm mới.
Vì sự tốn kém quá lớn nên từ thời Thành Thái triều đình ấn định 3 năm mới tổ chức tế Giao một lần.
Khi xưa, trong những ngày diễn ra lễ tế Giao, từ trong triều ra ngoài nội, từ quan lại cho đến dân chúng cũng đều hân hoan kéo nhau đi xem đông vui như trẩy hội. Còn bây giờ, tại các kỳ Festival Huế, lễ hội Nam Giao được thiết kế, xây dựng dựa theo nghi lễ tế Giao thì đoàn ngự đạo đi đến đâu, dân chúng, du khách xuýt xoa, trầm trồ đến đấy. Hầu như tất cả các phương tiện ghi hình đều được huy động hết về đây để tranh thủ ghi lại những khoảnh khắc tuyệt đẹp của một lễ hội mà mỗi người vẫn hằng thao thức, khao khát từ lâu. Nhiều mẹ, nhiều chị đi xem hội trong những bộ áo dài. Nhiều bô lão đi xem hội trong trang phục áo dài khăn đóng. Và khi đám rước đi qua, họ chắp hai tay trước ngực vái một cách thành kính. Bởi vì lễ hội Nam Giao không đơn thuần chỉ là lễ hội, mà nó còn ẩn chứa một cái gì đó thật thiêng liêng khởi nguyên từ khát vọng thái bình, thịnh vượng tận trong thẳm sâu tâm thức của mỗi một con người.
Có thể thấy, lễ tế Giao là một lễ hội cung đình có ý nghĩa nhân văn sâu sắc, mà trên hết là tinh thần hòa ái với thiên nhiên với ước nguyện mưa thuận gió hòa, quốc thái dân an, thiên hạ thái bình.