Точно в центре алтаря находится круглая плита, обозначающая фокус небесного свода, здесь император преклонял колени перед табличкой духа неба. Верхняя площадка выложена отполированными плитами, которые расположены концентрическими кругами, причем, количество плит в каждом круге кратно девяти. Между ярусами — по девять ступеней, и все геометрические размеры алтаря, выраженные в старых китайских мерах длины, тоже кратны девяти — магической цифре, принадлежавшей Небу.
При такой жесткой привязке к определенным числам строителям алтаря удалось еще и добиться уникального акустического эффекта: если вы, заняв место на круглой плите, негромко произнесете несколько слов, то через мгновение уши буквально заложит от многократно усиленного звука вашего же голоса, отразившегося от вертикальных плит балюстрады. Правда, из-за постоянной толчеи и гомона на алтаре этот эффект сильно снижается, поэтому его лучше «ловить» ближе к вечеру, зимой, в мороз, когда экскурсантов становится заметно меньше.
Алтарь опоясывает круговая кирпичная стена диаметром около 100 метров, а ее, в свою очередь, квадратная стена со стороной около 170 метров. С четырех сторон в стенах устроены трехпролетные арки с беломраморными столбами. Проходы закрывались деревянными решетками. Пустое пространство между стенами поросло травой, скрывающей следы вымощенной камнем дорожки в его юго-восточной части. Над этой дорожкой перед жертвоприношением сооружалась временная галерея, приводившая к приземистым постройкам, чьи кровли под растрескавшейся изумрудной черепицей видны неподалеку в окружении древних кипарисов. Здесь помещались кухня Небожителей, служившая для приготовления жертвенных блюд, кладовая Священных предметов и павильон Закалывания жертвенных животных. Все приготовленное в подарок Небу ночью выносилось по временной галерее на алтарь и расставлялось на ритуальных столах, или раскладывалось в специальных литых жаровнях с прорезями.
К началу церемонии император переодевался в ритуальные одежды в теплом павильоне. Павильон ставили на площадке, следы которой видны у южного входа в квадратную ограду алтаря. Поскольку жертвоприношения обычно совершались зимой, император прибывал сюда в теплой шубе и только в последний момент менял ее на довольно легкий темно-синий халат.
Ровно за час сорок пять минут до восхода солнца император начинал подниматься по каменным ступеням, и в это время в печи, облицованной зелеными изразцами, зажигали огонь под тушей жертвенного быка. Наготове стояли еще двадцать четыре железных жаровни с приготовленным мясом.
На верхней площадке алтаря уже были выставлены в определенном порядке деревянные киоты, драпированные темно синей тканью. В них с почестями устанавливались священные таблички духов Неба и предков императора правящей династии (в начале XX в. таких табличек было восемь).
Ярусом ниже размещали таблички духов Солнца, Луны, Звезд, Зари, Облаков, Дождя, Ветра, Молнии и двадцати восьми созвездий.
Под торжественные звуки священной музыки император читал текст молитвы, возжигал ароматные палочки и многократно простирался ниц перед табличкой духа Неба. Всего ему полагалось совершить девять видов ритуальных действий. Церемония завершалась, когда правитель осматривал догоравшее в жаровнях мясо и убеждался, что Небо приняло его жертву.
В северо-западном углу ограды восстановлены квадратные каменные постаменты высотой около двух метров. Когда-то таких постаментов было три и служили они подставками под флагштоки и огромные свечи, зажигавшиеся с началом церемонии. Охрана императора во время жертвоприношения обязана была находиться вне ограды алтаря и следить за свечами. В случае возникновения опасности для императора специально назначенный чиновник опрокидывал свечи, и это служило сигналом для охраны, позволявшим ей войти внутрь. В 1856 г. неудавшееся покушение на императора Сянфэна было совершено именно в Храме Неба.
После завершения церемонии священные таблички с почетом переносили к месту их постоянного хранения — в зал Небесного свода и его боковые павильоны, расположенные метрах в ста к северу от алтаря внутри кольцевой стены диаметром 61,5 метра и высотой около четырех метров, с единственными трехпролетными воротами.
Зал Небесного свода, сооруженный в 1530 г., приобрел свой современный облик после реконструкции 1752 г. Круглое здание на высоком цоколе венчает кровля-«зонтик», крытая темно-синей блестящей черепицей. Этот цвет принадлежал Небу и до тридцатых годов XX в. был запрещен в Китае для кровли других построек. Высота зала вместе с цоколем составляет 19,2 метра. Во внутреннем убранстве было использовано все возможное богатство деревянной и каменной резьбы и росписи. В центре помещения устроено подобие трона из темного дерева, где помещалась табличка духа Неба. С двух сторон от него на каменных постаментах покоились таблички духов предков императора. Подлинные таблички после отречения от престола в 1912 г. последнего императора Китая Пу И были перенесены в министерство церемоний, и их место сейчас занимают точные копии.