Hoàng thành và Tử Cấm thành (gọi chung là Hoàng Cung hay Đại Nội) được bắt đầu khởi công xây dựng vào mùa hè năm 1804. Các vòng thành bảo vệ Hoàng Cung được xây dựng dưới sự phụ trách, trông coi trực tiếp của hai đại thần Nguyễn Văn Chương và Lê Chất. Một số cung điện và miếu thờ quan trọng trong Hoàng Cung được giao cho các đại thần Nguyễn Đức Xuyên, Lê Văn Duyệt, Phan Văn Đức, Lê Công Nga... chịu trách nhiệm trông coi công tác xây cất.
Dưới triều Nguyễn, về mặt hành chính, hệ thống Hoàng Cung này là cái rốn, là trọng địa số một tại Kinh đô Huế. Đây là nơi tập trung cao nhất của bộ máy điều hành việc nước, cho nên diện mạo các tòa cung điện phải huy hoàng tráng lệ và cần được bảo vệ cẩn mật. Đó là lý do cắt nghĩa tại sao ở đây có tường thành xây dựng lớp trong lớp ngoài.
* Hoàng thành: Mặt bằng của Hoàng thành có hình chữ nhật. Mặt trước và mặt sau đều dài 622m. Mặt trái và mặt phải (Đông và Tây) đều dài 604m.
Vòng thành được xây bằng gạch, cao 4,16m, dày 1,04m, móng thành sâu 0,66m. Mũ thành xây theo dạng hình thang cân. Mỗi mặt thành trổ một cửa để ra vào. Phía Nam (trước) là cửa Ngọ Môn; phía Bắc (sau) là cửa Hòa Bình; phía Đông (trái) là cửa Hiển Nhơn; phía Tây (phải) là cửa Chương Đức. Giữa mỗi mặt thành có một pháo đài xây nhô ra ngoài, bên trên dựng nhà vuông (phương gia) để lính túc trực canh phòng. Ở phía trong mỗi góc thành đều có một hệ thống bậc cấp lộ thiên để lính đi lên quan sát tình hình an ninh ở ngoài thành.
Ngoài thành có một hệ thống hào bao bọc, gọi tên là hồ Ngoại Kim Thủy. Hệ thống hào này rộng 16m, sâu 4m, mực nước cao 1m. Hai bờ hào đều được kè bằng đá núi (sơn thạch), trên kè có xây lan can cao 0,88m. Giữa thành và hào còn có một khoảng đất rộng 13m được xem là khu vực phòng lộ, khi bị tấn công, thành đổ, gạch đá sẽ rơi xuống đây không để cho hào bị lấp đầy, khiến cho bộ binh đối phương sẽ khó khăn khi tấn công xâm nhập. Có mười chiếc cầu xây bằng đá và gạch bắc qua hào để thông thương trong ngoài.
Với cấu trúc thành cao hào sâu như vậy ở vòng đai chung quanh Hoàng thành và với sự canh gác thường trực của nhiều vệ binh tại các cửa thành, các pháo đài và các vọng lâu, kẻ địch từ bên ngoài khó đột nhập được vào.
* Tử Cấm thành: Nằm trong khu vực Hoàng thành cũng bắt đầu xây dựng vào mùa hè năm 1804. Thời Vua Gia Long gọi Tử Cấm Thành là Cung Thành.
Mặt bằng khu Tử Cấm Thành cũng có dạng hình chữ nhật. Mặt trước và mặt sau đều dài 324m. Mặt trái và mặt phải đều dài 290m. Vòng tường thành được xây bằng gạch, cao 3,72m, dày 0,72m, xung quanh không có hào. Mặt thành phía trước chỉ trổ một cửa duy nhất ở ngay chính giữa: Đại Cung môn. Mặt sau có 3 cửa: 2 cửa Tường Loan và Nghi Phụng được xây dựng ngay từ đầu thế kỷ XIX; còn “Văn Phòng môn” thì chỉ mới được trổ ra dưới thời Bảo Đại, khi xây dựng Ngự tiền Văn phòng vào khoảng năm 1933. Mặt trái trổ 4 cửa: Đông An, Cấm Uyển, Hưng Khánh và Duyệt Thị. Mặt phải trổ 2 cửa Tây An và Gia Tường.
Hoàng thành được chia ra thành nhiều khu vực nhỏ với những chức năng khác nhau. Quanh mỗi khu vực đều có xây tường gạch cao quá đầu người để ngăn cách. Căn cứ vào ý tưởng qui hoạch và chức năng của các công trình kiến trúc nói chung, mặt bằng Hoàng cung Huế có thể được chia ra thành các khu vực sau đây:
- Khu vực cử hành đại lễ của triều đình: Từ Ngọ Môn đến điện Thái Hòa, nơi diễn ra các cuộc lễ đăng quang, tiếp các sứ bộ ngoại giao quan trọng, mừng sinh nhật vua, lễ Quốc khánh, lễ Duyệt binh, lễ Truyền lô (đọc danh sách các tân khoa Tiến sĩ)...
- Khu vực thờ phụng các vua chúa nhà Nguyễn: Triệu Miếu, Thái Miếu, Hưng Miếu, Thế Miếu, điện Phụng Tiên.
- Khu vực ăn ở của Hoàng Thái hậu (mẹ vua) và Thái Hoàng Thái hậu (bà nội vua): Cung Diên Thọ, cung Trường Sanh.
- Khu vực phủ Nội Vụ: Gồm nhà kho tàng trữ đồ quý và các xưởng chế tạo đồ thủ công mỹ nghệ cao cấp nhất.
- Khu vực vườn Cơ Hạ và điện Khâm Văn: Tùy theo thời vua mà có các chức năng khác nhau (thời Vua Gia Long, là nơi học tập của Hoàng tử Đảm; thời Vua Thiệu Trị, là vườn ngự nổi tiếng; thời Vua Tự Đức, điện Khâm Văn là nơi vua nghe các đại thần uyên bác giảng giải kinh sách).
- Khu vực Tử Cấm thành: Đây là chốn cung cấm dành riêng cho vua và gia đình ăn ở, làm việc và hưởng thụ các loại hình tiêu khiển khác nhau. Trong thời cao điểm của nó, tại đây có đến hàng chục cung điện huy hoàng tráng lệ và lầu son gác tía; hoàng gia đông đảo có đến hàng trăm thành viên.
Trên địa bàn chung của Hoàng Thành và Tử Cấm Thành, vào thời vàng son của nó, có khoảng 100 công trình kiến trúc các loại và lớn nhỏ khác nhau như cung điện, lầu gác, nhà cửa, miếu thờ, cầu, hồ ao... Bố cục mặt bằng của hệ thống kiến trúc rất chặt chẽ và đăng đối. Phần lớn các công trình đều đối xứng từng cặp qua đường trục chính từ Ngọ Môn đến lầu Tứ Phương Vô Sự, và ở vào những vị trí tiền, hậu; thượng, hạ; tả, hữu rất là nhất quán (giữ đúng nguyên tắc truyền thống: tả văn hữu võ, tả nam hữu nữ, tả chiêu hữu mục). Các con số 9 và 5 được sử dụng nhiều trong kiến trúc trang trí, vì theo Dịch lý, những con số ấy ứng với mạng thiên tử. Đây cũng là thế giới của rồng 5 móng, vì nó tượng trưng cho vua.
Nhìn chung, tổng thể kiến trúc Hoàng thành và Tử Cấm Thành chẳng những có giá trị nghệ thuật về quy hoạch, kiến trúc và trang trí, mà đây còn là hệ thống Hoàng cung còn lại duy nhất tại Việt Nam.
Công trình được công nhận là di tích cấp quốc gia (loại hình kiến trúc nghệ thuật) theo Quyết định số 54-VH/TTQĐ ngày 29/4/1997 của Bộ Văn hóa và Thông tin.