Thái Miếu (tức Thái Tổ Miếu) là miếu thờ các vị chúa Nguyễn, từ Nguyễn Hoàng đến Nguyễn Phúc Thuần. Miếu được xây dựng từ năm Gia Long 3 (1804) ở góc đông nam trong Hoàng thành, đối xứng với Thế Tổ Miếu ở phía tây nam.
Qui mô và bố trí kiến trúc của Thái Miếu gần tương tự như Thế Miếu. Tòa điện chính kiến trúc theo lối nhà kép trùng thiềm điệp ốc, chính đường 13 gian 2 chái kép, tiền đường 15 gian 2 chái đơn. Phía đông điện chính là điện Long Đức, phía nam có điện Chiêu Kính. Đối diện với điện Chiêu Kính ở phía tây là điện Mục Tư, phía bắc điện này có tòa nhà vuông. Trước sân Thái Miếu có gác Tuy Thành (tên cũ là gác Mục Thanh), 3 tầng, hình thức tương tự như gác Hiển Lâm ở Thế Miếu. Hai bên gác Tuy Thành có tường ngắn, trên có lầu chuông, lầu trống, dưới trổ cửa vòm. Phía nam của gác Tuy Thành, 2 bên có nhà Tả Vu, Hữu Vu. Toàn bộ khu vực Thái Miếu có tường gạch bao bọc, trổ 5 cửa ra các phía. Các án thờ của chúa Nguyễn đều đặt trong tòa điện chính, bài vị phối thờ các công thần đặt ở Tả Vu và Hữu Vu. Lễ tế tổ chức 1 năm 5 lần vào các tháng manh xuân, manh hạ, mạnh thu, mạnh đông và quý đông.
Trong cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp đầu năm 1947, khu vực Thái Miếu gần như bị thiêu hủy hoàn toàn. Năm 1971-1972, hội đồng trị sự Nguyễn Phước Tộc đã quyên góp và dựng lại 1 tòa nhà 5 gian trên nền cũ ngôi điện chính để làm nơi thờ tự các chúa Nguyễn.