明永乐十八年（1420），北京城大体建成，按照礼制，城南要建有祭祀建筑，于是用于合祀天地的「天地坛」和「大祀殿」落成，大殿形制为方形，宽十二间，黄瓦重檐。次年正月孟春，明成祖在这里第一次举行大祀，祭祀“皇天上帝”与“后土皇地祇”。

一百多年后的嘉靖年间，明世宗恢复天地分祀的古礼，天地坛改为圜丘坛（即天坛），祭地则改在城北的方泽坛（即地坛）。同时，大祀殿改建为「大享殿」，用于单独祭祀皇天，形制改建为三重檐攒尖顶圆形大殿，用以对应“天圆”，顶覆上青、中黄、下绿三色琉璃，寓意天、地、万物。自此，冬至祭天在圜丘坛，孟春祈谷在大享殿。

清乾隆十六年（1751），大享殿顶的三色瓦统一改为蓝瓦，更名为「祈年殿」。殿内有28根金丝楠木大柱，里圈4根金柱寓意四季，中圈12根楹柱寓意十二月，外环12根檐柱寓意十二时辰，合起来又象征二十四节气，整体又象征周天二十八星宿。

作为祭天的圜丘坛的附属建筑，祈年殿本质上是儒家礼制中构建的“明堂”，其设计理念参考了武则天所建洛阳的明堂，即上圆以法天、基方以法地等基本要点，建筑结构体现了对天宇的认知及“敬天礼神”的思想。

光绪十五年（1889），祈年殿焚毁于雷火。光绪十六年（1890）因图纸无存，工部召集曾参与修缮的工匠，凭记忆制成图样施工，用了六年才得以完工，直径32.72米，总高38米，即今我们所看到的祈年殿。