中国很早就有祭祀天地的传统。据考古发现，早在原始社会祭祀天地便初见端倪。原始祭坛遗址，已发现多处，如红山文化、良渚文化等。《礼记》说：“天子祭祀天地，诸侯祭祀山川，卿、大夫祭祀五祀，士及平民祭祀他们的祖先。”《尚书》说：“对上帝进行‘类’祭，又祭祀天地四方，祭祀山川，遍祭群神。”这里所说的“类”，指的是上帝。在甲骨文中，上帝，或称“帝”，是自然和人间的主宰，他的周围还有日、月、风、雨等臣子。祭祀上帝要杀死或烧死俘虏和牲畜，作为祭品。到了周代，“天”的观念逐渐代替了“上帝”。天帝形象被人格化，周王又有了“天子”的称谓。周王是作为天帝之子在人间统治人民的，他要像侍奉父亲一样侍奉天帝。祀天就是对天帝的侍奉、享献。
天本来只有一个，但是到了汉代谶纬学风行以后，出现了“六天”说。据说，天上的紫微宫是天帝之室，北辰（北极星）为天帝，一名“太一”，是“天神之最尊贵者”。在太微宫中，有五个星位，即五方天帝。人间的帝王和朝代就是五帝轮流所感应而生的，因此也称为“感生帝”，如尧是赤帝感生，舜是黄帝感生，禹是白帝感生，汤是黑帝感生，周文王是苍帝感生。帝王祭天当然要祭祀与自己相应的天帝。
周代祭天的正祭是每年冬至之日在国都南郊圜丘举行。“圜丘祀天”与“方丘祭地”，都在郊外，所以也称“郊祀”。圜丘是一座圆形的祭坛，古人认为天圆地方，圆形正是天的形象，圜同圆。祭祀前，天子与百官都要斋戒。当天，天子率百官清早来到郊外。天子身穿大裘，内着衮服，头戴前后垂有十二旒的冕，腰间插大圭，手持镇圭，面向西方立于圜丘东南侧。这时鼓乐齐鸣，报知天帝降临享祭。接着天子牵着献给天帝的牺牲，并宰杀掉。这些牺牲随同玉璧、玉圭、缯帛等祭品一起放在柴垛上，由天子点燃积柴，让烟火高高地升腾于天，使天帝嗅到气味。这就是燔燎，也叫“禋祀”。
随后在乐声中迎接“尸”登上圜丘。尸由活人装扮，作为天帝化身，代表天帝接受祭享。尸就座，面前放着鼎、簋等各种盛放祭品的礼器。这时先向尸献牺牲的鲜血，再依次进献五种不同的酒，称五齐。再进全牲、大羹（肉汁）、铏羹（加盐的菜汁）等。第四次献酒后，进献黍稷饮食。然后，尸用三种酒答谢祭献者，称为酢。饮毕，天子与舞队同舞《云门》之舞，相传那是黄帝时的乐舞。最后，祭祀者还要分享祭祀所用的酒醴，由尸赐福于天子等，称为“嘏”，后世也叫“饮福”。天子还把祭祀用的牲肉赠给宗室臣下，称“赐胙”。后代的祭天礼多依周礼制定，但以神主或神位牌代替尸。
汉高祖祭祀天地都由祠官负责。武帝初，行三年一郊之礼，即第一年祭天，第二年祭地，第三年祭五（五方帝），每三年轮一遍。成帝建始元年（公元前32年）在长安城外昆明故渠之南建圜丘。翌年春正月上辛日（第一个辛日）祭天，同祭五方上帝。这是汉代南郊祭天之始。东汉在洛阳城南建圜丘，坛分上下两层，上层为天地之位，下层分设五帝之位，坛外有两重围墙，叫做“壝”。
南北朝时郊祀制度有一些变革。一是少数民族政权祭天虽采用汉制，但常有民族传统礼仪掺入。二是梁代郊祭天地社稷、宗庙，都不用牺牲，而用果蔬。三是圜丘坛外建造屋宇，作为更衣、憩息之所。
宋代圜丘合祀天地后，要在皇城门楼上举行特赦仪式，赦免囚徒；改日，要到景灵宫祖宗神像前行“恭谢礼”。元世祖忽必烈在大都（今北京）丽正门东南七里处建祭天台。成宗大德时建圜丘，南郊祀天。
明太祖洪武十年（1377），改变圜丘礼制，定每年孟春正月合祀天地于南郊，建大祀殿，以圜形大屋覆盖祭坛。明成祖迁都北京后，在正阳门南按南京规制营建大祀殿，于1420年建成，合祀天地。嘉靖九年（1530），世宗改变天地合祀制度，在大祀殿之南另建圜丘。
清代基本沿袭明制。世祖（顺治）定都北京后即恢复修建正阳门南天坛各种配套建筑，后经乾隆时改修，成为今天所见到的天坛古建筑群。它包括圜丘、大享殿、皇穹宇、皇极殿、斋宫、井亭、宰牲亭等。清人祭天除采用汉制外，还保留了本民族入关前“谒庙”之礼，入关后改称“祭堂子”。