Đàn Nam Giao được khởi công xây dựng vào năm 1806 và hoàn thành vào năm 1807 dưới triều vua Gia Long. Lễ tế Giao (tế Trời Đất) là nghi lễ quan trọng nhất của chế độ phong kiến, bởi theo quan niệm Nho giáo, vua là "Thiên tử" (con Trời), cai trị dân chúng theo mệnh trời. Do đó, việc tế Giao không chỉ là một nghi thức tâm linh mà còn là một hành động chính trị, củng cố quyền lực và vị thế của nhà vua.

Từ năm 1807 đến năm 1885, lễ tế Giao được tổ chức đều đặn mỗi năm một lần vào mùa xuân. Sau đó, từ năm 1891, lễ tế được chuyển sang ba năm một lần. Buổi lễ cuối cùng của triều Nguyễn tại đây diễn ra vào năm 1945.
Sau khi nhà Nguyễn sụp đổ, đàn Nam Giao dần hoang phế và bị tàn phá nặng nề trong hai cuộc chiến tranh. Đến năm 1977, một đài tưởng niệm liệt sĩ được xây dựng ngay trên nền Viên đàn, gây ra nhiều bức xúc trong dư luận. Mãi đến năm 1992, đài tưởng niệm này mới được di dời và việc trùng tu, khôi phục đàn Nam Giao bắt đầu được xúc tiến. Năm 1993, đàn Nam Giao đã được UNESCO công nhận là Di sản Văn hóa thế giới, một dấu mốc quan trọng giúp di tích này được bảo tồn và phục hồi.

