Hồ Văn và không gian phía trước
Phía trước Văn Miếu là Hồ Văn, rộng khoảng 12.297 m². Xưa giữa hồ có gò Kim Châu, trên gò từng có Phán Thủy đình – nơi các nho sĩ kinh thành tổ chức bình thơ, ngâm vịnh. Không gian mặt nước tạo khoảng đệm cảnh quan trước khi bước vào khu nội tự.
Khu Nhập Đạo – Văn Miếu Môn và Đại Trung Môn
Từ phía Nam đi vào là hệ thống cổng và sân nối tiếp nhau. Văn Miếu Môn là cổng mở đầu khu nội tự, tiếp đến là Đại Trung Môn. Các công trình được bố trí đối xứng hai bên trục thần đạo, tạo cảm giác trang nghiêm và dẫn dắt người tham quan tiến dần vào không gian trung tâm.
Khu Thành Đạt – Khuê Văn Các
Khuê Văn Các là công trình nổi bật nhất về mặt hình thức trong quần thể. Gác được dựng trên bốn trụ gạch vuông, phía trên là tầng gỗ với bốn cửa tròn, mái chồng hai lớp tạo thành tám mái. Công trình có tỷ lệ hài hòa, mang vẻ thanh thoát và đã trở thành biểu tượng của Hà Nội.
Vườn bia Tiến sĩ – Giếng Thiên Quang
Sau Khuê Văn Các là Giếng Thiên Quang, một hồ nước hình vuông. Hai bên là hai dãy nhà bia, hiện còn 82 bia Tiến sĩ khắc tên những người đỗ đạt qua các khoa thi từ năm 1442 đến 1779. Đây là một trong những bộ phận có giá trị đặc biệt của di tích; 82 bia Tiến sĩ được UNESCO ghi danh là Di sản Tư liệu Thế giới năm 2011 và được công nhận Bảo vật quốc gia năm 2015.
Khu Đại Thành – không gian thờ Khổng Tử
Qua Đại Thành Môn là khu Đại Thành, trung tâm của Văn Miếu. Nổi bật tại đây là Đại bái và Điện Đại Thành, được bố trí song song và nối với nhau bằng phương đình. Đại bái gồm 9 gian, kết cấu gỗ truyền thống, mái ngói và các chi tiết trang trí mang đặc trưng kiến trúc cổ truyền. Điện Đại Thành là không gian thờ tự trung tâm, gắn với việc thờ Khổng Tử và các bậc Tiên hiền, Tiên Nho.
Khu Thái Học – không gian Quốc Tử Giám
Phía cuối trục là khu Thái Học, gắn với lịch sử Quốc Tử Giám – trung tâm đào tạo cao cấp nhất của Việt Nam thời quân chủ, được thành lập năm 1076 dưới triều Lý Nhân Tông. Công trình Thái Học hiện nay được Nhà nước phục dựng vào 1999–2000, sử dụng vật liệu và hình thức kiến trúc truyền thống để hài hòa với tổng thể di tích.