建于明嘉靖九年（1530年）的皇穹宇，初名“泰神殿”，嘉靖十七年（1538年）改为“皇穹宇”（“皇”指至高无上，“穹”指天，“宇”指殿宇），清乾隆十七年（1752年）重建。皇穹宇是放置皇天上帝和皇帝上八代祖宗的牌位的地方。

坐落在圜丘北面的皇穹宇在一个独立的圆形院落里。从皇穹宇宫门（三重拱门，俗称琉璃门）进入，就是单檐圆形建筑皇穹宇。皇穹宇是蓝色琉璃瓦（象征青天）鎏金顶，殿高19.5米，殿内有八根木柱（称金柱，寓意“八柱擎天”）和八根檐柱支撑屋顶。藻井中心绘有大金团龙，周围有360条金龙，象征周天为360度。殿内正面是一座汉白玉雕花圆石座，上面安设神龛，供奉“皇天上帝”牌位。

皇穹宇殿前石阶上有一幅“二龙戏珠”巨型石浮雕，从殿基须弥座开始的第一、二、三块矩型石板（约1米宽，2米长）就是三音石，站在第一块石板上向殿内说话，可以听到一次回音，在第二块石板上说话可以听到两次回音，第三块石板上可以听到三次回音。第三块石板也被称为“天闻若雷石”，即在这里说话听到的回音响亮。

皇穹宇有东西配殿，东配殿存放供奉大明之神（太阳）、北斗七星、金木水火土五星、周天星辰等神版。西配殿存放供奉夜明之神（月亮）、云雨风雷诸神的神版。