建于嘉靖九年（1530）。初為重檐圓形建筑，是圜丘壇天庫的正殿。用于平日供奉祀天大典所供神位的殿宇。嘉靖十七年（1538）改名為“皇穹宇”。乾隆十七年（1752）改建為今式。

皇穹宇殿高19.5米，直徑15.6米，木拱結構，嚴謹、精致，上覆藍瓦金頂，精巧而莊重。殿內天花藻井為青綠基調的金龍藻井，中心為大金團龍圖案，是古代建筑杰作。