作为国家大祀之首，祭天礼复杂而完整，主要过程包括迎神、行礼、进俎、初献、亚献、终献等。冬至日清晨，太常寺官员率领众执事官准备好祭品，将祭祀所用之玉、帛、尊、罍、祝版等摆放齐整，乐舞生、执事官、陪祀官、分献官就位。日出前七刻，斋宫鸣太和钟，导引官引导皇帝至圜丘坛御位，鼓乐声起，祭天大典正式开始。
仪式的第一项是迎神，燔柴炉内升烟火，表达了将人间敬天之意传于上天的寓意。皇帝至昊天上帝牌主位前行跪拜之礼，后至祖宗配位前上香，叩拜。回拜位后，对诸神行三跪九拜礼。

迎神后为奠玉帛，即向天神、祖宗进献玉、帛。行礼时由太常卿导引皇帝盥洗后至神位前行三上香礼，执事官向皇帝呈进玉帛。皇帝至上帝及祖宗牌位前行敬献礼仪，鞠躬拜兴后回拜位。第三个步骤是进俎，内赞奏升坛后，皇帝在导驾官陪同下到主位、配位前进俎，进俎毕皇帝复位。接下来行初献礼。皇帝先至爵洗位受爵、涤爵、拭爵、进爵，而后升坛至酒尊所，执爵官以爵进皇帝，皇帝到主位前跪献爵，行三上香礼，同时司祝跪读祝文，乐暂止，读毕乐起。初献之后行亚献和终献礼，除了不宣读祝文外，程序与初献基本相同。终献以后，行饮福受胙礼，光禄寺官员奏饮福酒，奏受胙，皇帝行礼后拜兴回位。祭天为大祀之首，按祖制一般为皇帝亲祭，但王朝后期，天子多怠政，连祭天礼亦遣官代祀。官员行礼时，仪式大为精简，其中饮福受胙礼搁置不行，寓意只有天子能接受上天所赐之福。饮福受胙后彻撰送神。读祝官捧祝，进帛官捧帛，掌祭官捧撰，皆送到燎炉焚烧，皇帝至望燎位观看焚烧祭品，内赞奏礼毕，祭天大典正式结束。
冬至祭天盛于唐宋，明清间更为隆重尊崇，并且逐渐流传至民间，演变为冬至祭祖的传统习俗，称为“祭冬”或“拜冬”。无论是官方祭天还是民间祭祖都表达了向上天祈求风调雨顺、丰衣足食的朴素愿望。