Thế Tổ Miếu (thường gọi là Thế Miếu) là miếu thờ chung các vị vua triều Nguyễn. Miếu tọa lạc ở góc tây nam bên trong Hoàng thành. Nguyên ở nơi này trước kia là tòa Hoàng Khảo Miếu, miếu thờ ông Nguyễn Phúc Côn, thân sinh vua Gia Long. Năm Minh Mạng 2 (1821), Hoàng Khảo Miếu được dời lùi về phía bắc khoảng 50m 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.
Khuôn viên của Thế Tổ Miếu hình chữ nhật, diện tích khoảng trên 2ha, chiếm đến 1/18 diện tích toàn bộ các khu vực bên trong Hoàng thành và Tử Cấm thành. Bên trong khuôn viên này, bên cạnh tòa Thế Tổ Miếu là công trình chính còn có thêm các công trình khác như Thổ Công Từ, Cửu Đỉnh, Hiển Lâm Các, Canh Y điện, Tả Vu, Hữu Vu. Tòa Thế Tổ Miếu là một công trình kiến trúc gỗ rất lớn theo lối “trùng thiềm điệp ốc” đặt trên nền cao gần 1m. Bình diện mặt nền hình chữ nhật (54,60m x 27,70m), diện tích đến 1500m2. Nhà chính 9 gian 2 chái kép, nhà trước 11 gian 2 chái đơn, nối liền nhau bằng vì vỏ cua được chạm trổ rất tinh tế. Phần ngói vốn được lợp ngói ống lưu li vàng (nay thay bằng ngói âm - dương) với đỉnh nóc gắn liền thái cực bằng pháp lam rực rỡ.
Bên trong miếu, ngoài án thờ vua Gia Long và 2 Hoàng hậu đặt ở gian giữa, các án thờ của những 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, vì thế, trước năm 1958, bên trong Thế Tổ Miếu chỉ có 7 án thờ của các vị vua dưới đây:
1. Án thờ Thế Tổ Cao Hoàng Đế (vua Gia Long) và 2 Hoàng hậu Thừa Thiên, Thuận Thiên ở gian chính giữa.
2. Án thờ Thánh Tổ Nhân Hoàng Đế (vua Minh Mạng) và Hoàng hậu 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 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 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 ở gian tả tam (gian thứ ba bên trái).
7. Án thờ Hoằng Tông Tuyên Hoàng Đế (vua Khải Định) và Hoàng hậu ở gian hữu tam (gian thứ ba bên phải).
Đến tháng 10 năm 1958, án thờ 3 vị vua yêu nước vốn bị liệt vào hàng xuất đế là Hàm Nghi, Thành Thái và Duy Tân đã được hội đồng Nguyễn Phúc Tộc rước vào thờ ở Thế Tổ Miếu. 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 vua Dục Đức, Hiệp Hòa và Bảo Đại đến nay vẫn chưa có mặt trong Thế Tổ Miếu.
Bên ngoài Thế Tổ Miếu, trước mặt là một chiếc sân rộng lát gạch Bát Tràng. Trên sân đặt 1 hàng 14 chiếc đôn đá, bên trên đặt các chậu sứ trồng hoa. Hai bên sân lại có một đôi kỳ lân bằng đồng đứng trong thiết đình. Cuối sân là chín chiếc đỉnh đồng to lớn (Cửu Đỉnh) đặt thẳng hàng với 9 gian thờ trong miếu. Tiếp theo là gác Hiển Lâm, 3 tầng cao vút, hai bên có lầu chuông, lầu trống nối liền với gác bằng một bờ tường gạch. Bên dưới lầu chuông, lầu trống trổ 2 cửa, Tuấn Liệt (bên trái) và Sùng Công (bên phải). Bên ngoài bờ tường này là Tả Vu và Hữu Vu, thờ các công thần, thân huân thời Nguyễn.
Thổ Công Từ và Canh Y điện đều là những tòa nhà hình vuông nằm đối xứng với nhau theo chiều đông-tây của Thế Tổ Miếu (điện Canh Y nằm ở phía đông đã bị hủy hoại từ lâu), ở sát thần phía tây của miếu còn có một cây thông cổ thụ, có hình dáng uốn lượn rất đẹp, tường truyền được trồng từ khi dựng Thế Tổ Miếu.
Trong 5 ngôi miếu thờ đặt bên trong Hoàng thành: Triệu Tổ Miếu, Thái Tổ Miếu, Hưng Tổ Miếu, Thế Tổ Miếu và miếu Phụng Tiên, Thế Tổ Miếu là khu miếu thờ bề thế và được qui hoạch đẹp nhất. Đây cũng là khu vực thờ tự còn nguyên vẹn nhất của triều Nguyễn.