觀星臺(tái)前后院落共分照壁、山門、垂花門、周公測(cè)影臺(tái)、大殿、觀星臺(tái)、 螽斯殿等七進(jìn)，院內(nèi)復(fù)制安裝各種天文儀器十多種。

觀星臺(tái)系磚石混合建筑結(jié)構(gòu)，由臺(tái)體和石圭兩個(gè)部分組成，臺(tái)體呈方形覆斗狀，四壁用水磨磚砌成。臺(tái)高9.46米，連臺(tái)頂小室統(tǒng)高12.62米。頂邊各長(zhǎng)8米多，基邊各長(zhǎng)16米多，臺(tái)四壁明顯向中心內(nèi)傾，其收分比例表現(xiàn)出中國(guó)早期建筑的特徵。臺(tái)頂小室是明嘉靖七年(公元1528年)修葺時(shí)所建。臺(tái)下北壁設(shè)有對(duì)稱的兩個(gè)踏道口，人們可以由此登臨臺(tái)頂。為了導(dǎo)泄臺(tái)頂和踏道上的雨水，在踏道四隅各設(shè)水道一孔，水道出水口雕作石龍頭狀。臺(tái)的北壁正中，有一個(gè)直通上下的凹槽，其東、西兩壁有收分，南壁上下垂直，距石圭南端36厘米。

石圭用來(lái)度量日影長(zhǎng)短，所以又稱“量天尺”。它的表面用36方青石板接連平鋪而成，下部為磚砌基座。石圭長(zhǎng)31.196米，寬0.53米，南端高0.56米，北端高0.62米。石圭居子午方向。圭面刻有雙股水道。水道南端有注水池，呈方形﹔北端有泄水池，呈長(zhǎng)條形，泄水池東﹑西兩頭鑿有泄水孔。池﹑渠底面，南高北低，注水后可自灌全渠，不用時(shí)水可排出。泄水池下部，有受水石座一方，為東西向長(zhǎng)方形，其上亦刻有水槽一周。