Ngôi miếu thờ quan trọng bậc nhất Hoàng thành Huế lại thiếu mất 3 vị vua này
Triều đại nhà Nguyễn có 13 vị vua nhưng không phải ai cũng được thờ trong Thế Tổ miếu.
Miếu thờ là một trong những sự khác biệt lớn của kiến trúc cung đình Huế. Nếu như người Trung Hoa xây dựng các miếu thờ nằm ngoài Hoàng Thành của họ để thờ Trời, Đất, Mặt Trăng, thì tại Đại nội Huế lại có tận 5 khu miếu thờ, bao gồm: Triệu Tổ miếu (thờ Triệu Tổ Tĩnh Hoàng đế Nguyễn Kim và Hoàng hậu), Thái Tổ miếu (thờ chín vị chúa Nguyễn, từ Thái Tổ Gia Dũ Hoàng đế Nguyễn Hoàng đến Hiếu Định hoàng đế Nguyễn Phúc Thuần và các Hoàng hậu; có phối thờ các công thần), Hưng Tổ miếu (thờ Hưng Tổ Hiếu Khương Hoàng đế Nguyễn Phúc Luân và Hoàng hậu, bố và mẹ của vua Gia Long), Thế Tổ miếu (thờ các vị vua Nguyễn và các Hoàng hậu, các vị công thần) và Phụng Tiên điện (nơi cho phép nữ giới thuộc hoàng tộc đến cúng viếng bốn vị vua thời Nguyễn sơ: Gia Long, Minh Mạng, Thiệu Trị, Tự Đức).
Trong 5 ngôi miếu thờ trên, Thế Tổ miếu được xem là miếu thờ quan trọng nhất. Đây là khu miếu thờ có diện tích lớn nhất với hơn 2 héc ta, chiếm đến hơn 1/18 diện tích bên trong của Hoàng Thành và có các công trình được bảo lưu trọn vẹn nhất. Bên trong Thế Tổ miếu, ngoài khu miếu chính còn nhiều công trình có giá trị nghệ thuật và giàu tính lịch sử như Cửu Đỉnh; gác Hiển Lâm (nơi suy tôn công lao các vị thần linh, vua và công thần triều Nguyễn; Tả, Hữu Tùng Tự (nơi thờ các công thần); đền thờ Thổ Công.
Thế Tổ miếu nằm ở phía Tây Nam của Hoàng Thành. Ban đầu, địa điểm này được vua Gia Long xây dựng miếu Hoàng Khảo để thờ thân phụ Nguyễn Phúc Luân vào năm 1804. Đến năm 1821, vua Minh Mạng cho dời miếu Hoàng Khải về phía sau 50m rồi đổi tên thành Hưng miếu và cho xây dựng Thế Tổ miếu. Ban đầu, nơi đây để thờ Thế Tổ Cao Hoàng đế (Vua Gia Long) nhưng về sau trở thành nơi thờ của tất cả các vị vua triều Nguyễn và các Hoàng hậu của họ.
Triều đại nhà Nguyễn trải qua 143 năm với 13 vị vua nhưng chỉ có bảy vị vua được thờ trong Thế Tổ miếu bao gồm: Thế Tổ Cao Hoàng Đế (vua Gia Long), Thánh Tổ Nhân Hoàng Đế (vua Minh Mạng), Hiến Tổ Chương Hoàng Đế (vua Thiệu Trị), Dực Tông Anh Hoàng Đế (vua Tự Đức), Giản Tông Nghị Hoàng Đế (vua Kiến Phúc)Cảnh Tông Thuần Hoàng Đế (vua Đồng Khánh), Hoằng Tông Tuyên Hoàng Đế (vua Khải Định).
Vua Hàm Nghi, Vua Thành Thái và Vua Duy Tân bị thực dân Pháp bắt đi đày nên được xem là “xuất đế” nên cũng không được thờ tại đây. Sau năm 1954, Hội đồng trị sự Nguyễn Phúc tộc xét thấy công lao và tinh thần yêu nước của Hàm Nghi, Thành Thái và Duy Tân nên đã tổ chức lễ cung nghi long vị của ba vị vua này từ nhà thờ riêng về thờ tại Thế Tổ miếu. Còn các án thờ Vua Dục Đức, Hiệp Hòa và Bảo Đại đến nay vẫn chưa có mặt trong ngôi miếu thờ quan trọng bậc nhất kinh thành Huế.
Thế Tổ miếu được xây dựng theo kiểu “trùng lương trùng thiềm” với nhà trước có 11 gian và hai chái đơn, nhà sau có chín gian và hai chái kép với mái hai nhà được nối lại bằng trần thừa lưu. Nền miếu xưa được lát bằng gạch Bát Tràng tráng men vàng và lục nhưng sau nhiều lần trùng tu đã được thay thế bằng gạch men tráng vàng ở nhà trước và tráng xi măng ở nhà sau.
Trước thềm miếu, có một hàng 14 chiếc đôn đá được đặt dưới 14 chiếc thống sứ lớn ở trên để trồng cây kiểng. Hai bên sân có một đôi kỳ lân bằng đồng được đặt trong thiết đình. Cuối sân là chín chiếc đỉnh đồng to (Cửu Đỉnh) đặt thẳng hàng với chín gian thờ trong miếu.