Theo Ðại Việt sử ký toàn thư, năm 1154 đắp Đàn Viên Khâu ở phía nam thành Ðại La, trước đó năm 1137  và năm 1138 đã chép về Vu Đàn. Ðại Nam nhất thống chí chép rõ hơn: "Ðàn Nam Giao nhà Lý ở địa phận huyện Thọ Xương, phía nam tỉnh thành, do nhà Lý xây đắp để làm chỗ tế trời. Nhà Lê đời Quang Thuận sửa lại, chính điện ba gian, hai bên đông tây vu mỗi bên đều bảy gian, có các tòa điện Canh Y (nơi thay áo). Trai cung, nhà bếp, nhà kho, bên trong, bên ngoài xây tường quanh cùng ba gian nghi môn. Ðời Quang Hưng dựng thêm điện Chiêu Sự. Ðời Cảnh Trị sửa lại, qui chế thì bốn góc có cột đá, cột rường xà bẩy, đều chạm rồng phượng, sơn son thếp vàng. Hồ Sĩ Dương soạn bài ký. Bản triều đầu đời Gia Long, dỡ lấy gạch đá để xây thành, chỉ còn đền chính ở phường Thịnh Yên. Năm Tự Ðức 11 (1858), đền bị cháy" . Tấm bia do Hồ Sĩ Dương soạn mang tên "Nam Giao điện bi ký" dựng năm Vĩnh Trị 4 (1679) tại điện Nam Giao.

Tấm bia  "Nam Giao điện bi ký"  tại Viện Bảo tàng Lịch sử Việt Nam

Năm 1892 khi “Công ty Ðông Dương về rừng và diêm” xây dựng nhà máy diêm, tấm bia đã được di chuyển sang đầu ngõ phố Lê Ðại Hạnh giáp phố Thái Phiên và sau được đưa về bảo quản và trưng bày tại Bảo tàng Lịch sử. Ðây là một trong những tấm bia lớn, trang trí vào loại đẹp nhất của thời Lê Trung hưng. Văn bia cho biết Tây Vương Trịnh Tạc (1657-1682) xây dựng lại điện Nam Giao khá qui mô, khởi công năm 1663 và hoàn thành năm 1664. Văn bia ghi "cột xà đều dùng nguyên liệu tốt, mực thước theo kiểu điện Trường Sinh, dỡ bỏ những cái cũ  kỹ, xây dựng công trình mới mẻ... Ðiện này xây gạch làm nền, đá dựng làm cột, đao cong rực rỡ, đầu rồng dưới mái lượn song song".

Sách Lịch triều hiến chương loại chí của Phan Huy Chú cũng có đoạn miêu tả quy mô bề thế: “giữa là chính điện Chiêu Sự, cột bốn góc làm bằng đá, nền và sân cùng với lan can vây quanh Đàn đều cùng làm bằng đá cả. Rường, xà, rui, hoành đều sơn son thếp vàng, có hai dãy hành lang tả hữu. Bên ngoài là chỗ vua đến thay áo lễ. Đằng trước có ba tầng cửa. Quy mô chế thức rực rỡ”.

Ðiện Nam Giao còn được ghi chép và miêu tả trong Kiến văn tiểu lục của Lê Quý Ðôn, Khâm định Việt sử thông giám cương mục của Quốc sử quán triều Nguyễn, Vũ trung tùy bút của Phạm Ðình Hổ và nhiều tư liệu khác. Nghi thức tế Giao thời Lê còn được Phan Huy Chú miêu tả cụ thể trong Lễ nghi chí củaLịch triều hiến chương loại chí.

Trên các bản đồ thành Ðông Kinh của tập Hồng Ðức bản đồ đều ghi nhận điện Nam Giao ở phía nam gần thành Ðại La. Trên bản đồ Hà Nội năm 1873, điện Nam Giao còn được thể hiện khá rõ gồm hai kiến trúc và về phía nam là một khu hồ khá rộng, ở vào vị trí gần cửa ô phía nam thành Ðại La tức ô Cầu Dền (phố Bạch Mai nối phố Huế hiện nay). Ðịa bạ năm Minh Mệnh 18 (1837) của thôn Thịnh Yên, tổng Kim Hoa, huyện Thọ Xương chép một khu đất ghi rõ "nguyên là nền đất điện Nam Giao, rộng 0.0.12.8.0.", tính ra là 308 m2. Trong địa bạ còn ghi "hai hồ liền nhau (xưa là hồ điện Nam Giao): 4.0.00.0.0., đông giáp y xứ thổ (xưa giáp phường Yên Thọ và chùa Ðế Thích), tây giáp y xứ hồ và địa phận thôn Văn Hồ (xưa giáp Trung Tiệp và điện Nam Giao, nam giáp địa phận thôn Vân Hồ (xưa giáp thành Ðại La), bắc giáp y xứ thổ và quan hồ thôn Yên Nhất (xưa giáp đường lớn)". Hai hồ liền nhau gọi là hồ điện Nam Giao đó rộng 4 mẫu tức 14.400 m2.
 
Các nhà nghiên cứu đều thống nhất chỉ định di tích của điện Nam Giao ở vào khoảng nhà máy cơ khí Trần Hưng Ðạo trước đây, gần cửa ô Cầu Dền thuộc quận Hai Bà Trưng, khoảng giữa các phố Mai Hắc Ðế, Thái Phiên, Ðoàn Trần Nghiệp, Bà Triệu.
 
Năm 2007 do yêu cầu xây dựng một số công trình ở đây, Viện Khảo cổ học được phép tiến hành khai quật ba đợt trên diện tích 1.100 m2. Kết quả khai quật khảo cổ học đã phát hiện được các di tích kiến trúc và di vật thời Lý, Trần và Lê. Di tích kiến trúc thời Lê đã bị phá hủy nặng nề qua hai lần xây dựng Nhà máy diêm và Nhà máy cơ khí, chỉ còn lại dấu tích sân nền lát gạch vồ đặc trưng thời Lê lẫn các loại gạch thời trước cùng nhiều di vật như ngói, gạch, tượng đầu nghê, sấu..., trong đó có ngói tráng men màu vàng in hình rồng 5 móng thời Lê sơ như đã tìm thấy ở Hoàng thành Thăng Long và Lam Kinh. Về thời Lý, Trần, đã tìm thấy di tích móng trụ sỏi và nhiều di vật như các loại gạch, ngói trang trí lá đề hình rồng, ngói ống với đầu ngói in hình hoa sen, đầu chim phượng, đồ gốm sứ. Ðặc biệt đã phát lộ di tích kiến trúc hình chữ công thời Lý với đường móng sành dài 22m, chỗ rộng nhất: 22,65m, hẹp nhất: 8,90m. Ðây là bình đồ kiến trúc hình chữ công sớm nhất được phát hiện trong lịch sử kiến trúc Việt Nam. Kiến trúc đã bị thời sau phá hủy nên di tích còn lại chỉ còn lớp móng mỏng chừng dưới 10cm.

 
(Tổng hợp)