Đền Thiên Trường nằm tại vị trí trung tâm của đền Trần. Toàn bộ đền Thiên Trường có tất cả 9 toà và 31 gian lớn nhỏ khác nhau hình thành nên bình đồ kiến trúc theo lối tay ngai. Trong bình đồ kiến trúc đó, ngôi đền được xây theo hình nội công ngoại quốc nằm chính giữa, trước sân là hai dãy giải vũ 10 gian, giáp đốc là hai dãy ống muống. Tất cả các công trình đều được thiết kế hợp lý cả về kích thước, kiểu dáng, hoà nhập với một tổng thể kiến trúc cổ truyền. Bao quanh đền Thiên Trường là hệ thống tường bao xây gạch cao 1,5m cùng hệ thống cột trụ cao to tạo nên sự bề thế, hoành tráng.
Tiền đường cao 4,5m, có mặt tiền rộng 12m, sâu 6,6m được xây cao hơn mặt sân 0,7m, có tạo tam cấp bằng đá xanh liền khối để lên xuống. Ngoài ra, tại đây còn tạo bốn con rồng trong tư thế vươn mình ra phía trước mang phong cách nghệ thuật thời Nguyễn (TK XIX).
Bộ mái tiền đường lợp ngói nam. Đại bờ đắp hình tượng lưỡng long chầu nguyệt, kìm nóc tạo dáng đôi ly chầu, bờ bảng đắp hoạ tiết triện tàu lá dắt.
Tiền đường được chia thành 5 gian. Gian giữa có kích thước lớn nhất, rộng 2,65m. Các gian còn lại đều rộng 2,3m, co tạo hệ thống cửa ra vào bằng gỗ lim theo kiểu thượng song hạ bàn. Riêng gian giữa là gian trung tâm nên được gia công, trang trí một cách công phu nhất. Từ bạo cửa, khung cửa được tạo dáng uốn vành mai, soi chạm lớp lớp hoa lá sinh động. Phần trên khung cửa chạm hình tượng lưỡng long chầu nguyệt. Mặt nguyệt ở giữa được tạo thành một bông hoa mai cách điệu, giữa bông hoa được khắc chữ phúc bằng chữ Hán theo lối chữ thảo. Bên trong bộ khung, bạo cửa là hai cánh cửa có kích thước cao 1,5m, rộng 0,58m. Tại đôi cánh cửa này được chạm khắc hoạ tiết lưỡng long. Đôi rồng được chạm kênh bong nổi khối với thân hình mập mạp, thân có vẩy, miệng ngậm ngọc đang chầu vào giữa. Qua các nét hoạ tiết hoa văn trang trí có thể biết đây là tác phẩm có niên đại từ thế kỷ XVII còn sót lại qua các lần tu sửa.
Tiền đường được xây cao hơn mặt sân 1m, có tạo 3 cấp lên xuống. Các cấp đều được làm bằng đá xanh liền khối hình chữ nhật. Toàn bộ tiền đường được chia thành 5 gian với 6 bộ vì bằng gỗ lim, hồi xây bít đốc. Các bộ vì ở đây được làm theo kết cấu thượng vì kèo, hạ bẩy kẻ. Gánh đỡ mỗi bộ vì là 4 cây cột lim tròn, tạo dáng búp đòng. 02 cột cái có đường kính 0,35m; 02 cột quân đường kính 0,30m. Tất cả các cây cột đều được đặt trên hệ thống chân tảng bằng đá xanh, chạm khắc hoạ tiết cánh hoa sen kép 16 cánh mang phong cách nghệ thuật thời Trần. Hai vì giáp đốc được làm cách tường hồi 0,5m. Cách xây dựng này làm cho tường hồi chỉ mang chức năng bao che mà không phải chịu lực gánh đỡ các cấu kiện gỗ. Tại các đầu xà, bẩy, kẻ ngoài việc cắt mộng một cách bén khít, còn được uốn lượn mềm mại, soi đường chỉ kép, chạm khắc hoa lá cách điệu cùng các hoa văn như triện tàu, chữ thọ…theo đúng phong cách kiến trúc cổ truyền dân tộc. Từ những lớp hoa văn có thể thấy tại tiền đường có sự giao thoa, tiếp diễn những phong cách kiến trúc trải dài từ thời Lê Trung Hưng (TK XVII - XVIII) đến thời Nguyễn sau này (TK XIX).
Toà siêu hương được làm nối tiếp với tiền đường. Siêu hương được làm theo hình vuông có kích thước rộng 36m2, cao 5,47m. Bốn mặt thông phong không tạo cửa. Siêu hương được làm theo kiểu bốn mái, lợp ngói nam. Đầu đao cùng bờ nóc đắp hoạ tiết vân mây, rồng chầu. Hệ thống vì bằng gỗ lim được làm theo kết cấu chồng rường kẻ góc. Các cấu kiên như xà dọc, tàu mái, hoành, rui đều được gia công, liên kết chặt chẽ với nhau. Gánh đỡ toàn bộ siêu hương là 4 cây cột lim có đường kính 0,45m cũng được đặt trên chân tảng đá chạm khắc cánh sen kép mang phong cách nghệ thuật thời Trần. Phần chạm khắc tại các cấu kiện gỗ tại siêu hương được gia công đơn giản, thoáng đạt mang phong cách nghệ thuật thời Nguyễn (TK XIX). Nền siêu hương được lát bằng gạch đỏ được phục chế theo hoạ tiết hoa văn cánh sen, đồng tiền, chữ thọ mang phong cách nghệ thuật thời Trần. Hai bên siêu hương là hai dãy giải vũ rộng khoảng 20m2
, được làm theo kết cấu thượng vì kèo, quá giang, trốn cột, hạ bẩy kẻ, hồi xây bít đốc.
Chính tẩm là toà trong cùng, cao to nhất, được thiết kế với lối cổ diêm với kích thước cao 7,26m; sâu 13,20m; rộng 12m. Chính tẩm được chia làm 3 gian 2 chái. Hai chái giáp đốc rộng khoảng 5m2
được bố trí là nơi nghỉ ngơi của người gác đền. Ba gian chính diện được bố trí 18 cánh cửa gỗ kích thước cao 3,10m; rộng 0,50m. Cánh cửa làm theo lối thượng chạm nền gấm thông phong, hạ bức bàn. Trên nền gấm còn chạm các bài thơ chữ Hán cách điệu, phong cách đa dạng như : chữ lệ, chữ triện, chữ thảo… Nội dung các câu thơ ca ngợi công đức các vua Trần và cảnh đẹp đền. Phần bức bàn phía dưới cũng được chạm các hoạ tiết tứ quý, nét chạm thanh mảnh, sắc nét.
Khác với các hạng mục công trình khác tại đền Thiên Trường, chính tẩm là công trình được xây cách tân, mang đậm phong cách nghệ thuật thế kỷ XIX. Bộ vì nóc được làm theo kết cấu vì kèo quá giang bằng gỗ lim. Toàn bộ các cấu kiện gỗ tại đây không được chạm khắc mà bào trơn, đóng bén. Kết cấu này vừa đơn giản vừa đảm bảo độ chắc chắn, lại tiện cho diện tích thờ tự được rộng rãi.
Bộ vì nách phía trước được làm theo kết cấu kẻ trường. Bốn cây kẻ có độ dài 4,6m được uốn cong mềm mại. Gánh đỡ bộ vì nách phía trước cùng một phần bộ vì nóc là 4 cây cột cái có đường kính 0,40m, cao 5,5m và 4 cây cột hiên thân vuông, cạnh 0,25m được soi chỉ, nhấn câu đối chữ Hán.
Bộ vì nách phía sau không được làm bằng gỗ mà được xây cuốn vòm với vật liệu hoàn toàn bằng vôi vữa. Gánh đỡ bộ mái của vì nách là hệ thống tường được đổ trụ vuông chịu lực.
Như vậy tổng thể kiến trúc đền Thiên Trường mang đậm phong cách nghệ thuật thời Nguyễn. Tuy nhiên phong cách đó chỉ được thể hiện trên các cấu kiện gỗ của các bộ vì mái còn hệ thống chân tảng hoa sen kép mang phong cách kiến trúc Trần được bố trí để gánh đỡ các cột lim theo bình đồ nội công ngoại quốc có thể cho ta thấy công trình này có thể được xây dựng từ thời Trần và được trùng tu vào các thời tiếp theo.
- Bài trí thờ tự tại cung đệ nhị
Số 1. Trần Thái Tông hoàng đế thần vị. Số 2. Trần Thánh Tông hoàng đế thần vị. Số 3. Trần Nhân Tông hoàng đế thần vị. Số 4. Trần Anh Tông hoàng đế thần vị. Số 5. Trần Minh Tông hoàng đế thần vị. Số 6. Trần Hiến Tông hoàng đế thần vị. Số 7. Trần Dụ Tông hoàng đế thần vị. Số 8. Trần Nghệ Tông hoàng đế thần vị. Số 9. Trần Duệ Tông hoàng đế thần vị. Số 10. Trần Xương Phù hoàng đế thần vị. Số 11. Trần Thuận Tông hoàng đế thần vị. Số 12. Trần Kiến Tân hoàng đế thần vị. Số 13. Trần Hưng Khánh hoàng đế thần vị. Số 14.Trần Trùng Quang hoàng đế thần vị.
- Bài trí thờ tự tại cung đệ nhất:
1 2 3 4 7 8 9 7 8 9 6 5 10 11 12 13 14 1 3 2 4 5
Tại cung đệ nhất chia làm ba ban thờ.Trong ban thờ tại gian giữa có đặt một cỗ khám gỗ. Trong khám gỗ có 3 bài vị gỗ. Nội dung như sau:
Số 1. Trần triều truy tôn hoàng đế thần vị.
Thần vị các vị hoàng đế truy tôn tại triều Trần, gồm có Mục tổ hoàng đế Trần Kính, Ninh tổ hoàng đế Trần Hấp, Nguyên tổ hoàng đế Trần Lý.
Số 2. Trần triều Hiển tổ truy tôn Thái thượng hoàng hiệu, thuỵ khai cận lập cực thuỳ dụ chí hiếu hoàng đế thần vị.
Thần vị truy tôn vị hiển tổ triều Trần hiệu Thái thượng hoàng, tên thuỵ là Khai, vận lập cực thuỳ dụ chí hiếu hoàng đế. Tức Thái tổ hoàng đế triều Trần là Trần Thừa mà Trần Cảnh suy tôn.
Số 3. Trần triều truy tôn Mục từ hoàng thái hậu, Ninh từ hoàng thái hậu, Nguyên từ hoàng thái hậu, Quốc thánh hoàng thái hậu thần vị.
Thần vị truy tôn các vị hoàng thái hậu triều Trần: Mục Từ, Ninh Từ, Nguyên từ, Quốc thánh.
Hai ban thờ tại hai gian bên là bài vị của các vị hoàng hậu và hoàng phi triều Trần. Bài vị khắc chữ: “Trần triều đế hậu liệt vị”, “Trần triều đế phi liệt vị”.