明鄭時期(1661~1683) 祭天的地點，習稱此地為「天公埕」。
清中葉以前(1683~1820) 府城居民每年玉皇上帝誕辰皆設廠於公埕西側舉行祭典。
清道光年間(1821~1850) 暫借天公埕東側的吳姓宅院以安置聖爐，係天壇的前身。
清咸豐四年(1854) 府城官民創建天壇，並於咸豐五年(1855)竣工，定名為「天公壇」。
清咸豐五年(1855) 總理梁懷章等人在募捐增建後殿。
日治明治三十二年(1899) 董事蔡國琳等募資重修，並將「天公壇」改稱「天壇」。
民國三十四年(1945) 戰後，因廟宇破損不堪，乃成立重建委員會著手募捐經費，自民國三十八年(1949)三月動手修建，至四十年(1951)元月完工。
民國五十一年(1962) 進行重修，新設四垂亭乙座、龍柱三對、三川步口左右壁堵等，至民國五十五年(1966)十月完工。
民國六十六年(1977) 倡議建造五聖殿，至民國六十八年(1979)元月動工，並在民國六十九年(1980)年進行正殿木構件的重修，至民國七十一年(1982)全部竣工。
民國七十二年(1983) 廟名改稱「臺灣首廟天壇」。
民國九十年(2001) 該年四月正殿及天井進行重修，至該年十月完工。
民國九十一年(2002) 該年五月重修後殿，至該年八月完工。
民國九十五年(2006) 該年七月搶修正殿太子亭，至九十六年十月完工。
民國九十七年(2008) 該年四月舉行戊子年七朝慶成禳熒祈安建醮

太歲殿主要構造為鋼筋混凝土柱樑結構，以二側戶外樓梯連通二樓，建築形式接合石雕牆、木構件雕刻、剪黏、泥塑等之作法。在功能上目前一樓做為多功能使用，二樓為供奉神明。

殿內三座大理石台座神龕，中港神龕供奉「斗姥元君」，右神龕供奉「北斗星君」，左神龕供奉「南斗星君」，以提供信眾祈求平安為主。