觀星臺前后院落共分照壁、山門、垂花門、周公測影臺、大殿、觀星臺、 螽斯殿等七進，院內復制安裝各種天文儀器十多種。

觀星臺系磚石混合建筑結構，由臺體和石圭兩個部分組成，臺體呈方形覆斗狀，四壁用水磨磚砌成。臺高9.46米，連臺頂小室統高12.62米。頂邊各長8米多，基邊各長16米多，臺四壁明顯向中心內傾，其收分比例表現出中國早期建筑的特徵。臺頂小室是明嘉靖七年(公元1528年)修葺時所建。臺下北壁設有對稱的兩個踏道口，人們可以由此登臨臺頂。為了導泄臺頂和踏道上的雨水，在踏道四隅各設水道一孔，水道出水口雕作石龍頭狀。臺的北壁正中，有一個直通上下的凹槽，其東、西兩壁有收分，南壁上下垂直，距石圭南端36厘米。

石圭用來度量日影長短，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，不用時水可排出。泄水池下部，有受水石座一方，為東西向長方形，其上亦刻有水槽一周。