Năm 1805, vua Gia Long bắt đầu công cuộc xây dựng Kinh thành Huế theo kiến trúc thành Vauban với kiểu thành dích dắc, bên trên có nhiều pháo đài. Buổi đầu, Kinh thành Huế được đắp bằng đất với chu vi khoảng 10 km2, về sau được xây tường gạch để gia cố và có diện mạo hoàn chỉnh như hiện nay dưới thời vua Minh Mạng. Năm 1832, vua Minh Mạng từng bố cáo việc hoàn thành công cuộc xây dựng Kinh thành Huế.

Theo sách Đại Nam nhất thống chí, lầu Ngũ Phụng nằm ở phía trên cửa Ngọ Môn nằm ở mặt Nam của Hoàng thành, phía trước điện Thái Hòa. Dưới thời vua Gia Long nơi đây là đài Nam Khuyết, phía trên là điện Càn Nguyên với hai cửa tả Đoan và Hữu Đoan. Năm 1833, vua Minh Mạng đổi làm 5 cửa; ở giữa là Ngọ Môn, hai cửa hai bên gọi là tả Giáp môn, hữu Giáp môn, hai cửa Khuyết môn tả, hữu, phía trên xây lầu Ngũ Phụng.

Trải qua thời kỳ chiến tranh và thiên tai khắc nghiệt, công trình bị xuống cấp nghiêm trọng và trải qua nhiều đợt trùng tu, tu bổ lớn. Năm 2012, Trung tâm Bảo tồn Di tích cố đô Huế đã tu bổ kiến trúc với tổng kinh phí gần 80 tỷ đồng.

Đầu năm 2021, di tích đã mở cửa đón khách du lịch sau thời gian dài trùng tu. Để tạo điểm nhấn, Trung tâm Bảo tồn di tích cố đô Huế dự kiến tái hiện nhiều nghi lễ của vương triều Nguyễn ở lầu Ngũ Phụng, cửa Ngọ Môn trong thời gian tới như lễ Ban Sóc, lễ Truyền lô.

Công trình có hai tầng, kết cấu bộ khung bằng gỗ lim với 100 cây cột. Mái tầng dưới nối liền nhau, chạy vòng quanh để che cho phần hồi lang.

Hai bên lầu trưng bày một chiếc trống, một đại hồng chung có từ thời triều Nguyễn. Xưa kia, triều Nguyễn dùng trống và đại hồng chung để đánh thông báo giờ chầu.

Hệ thống cột, cửa của công trình đều được sử dụng bằng gỗ lim được sơn son, thếp vàng.

Hoa văn trên các cột gỗ được chạm khắc tinh xảo.

Hệ thống đèn lồng trang trí ở lầu Ngũ Phụng được chạm khắc hình tượng rồng, phượng cách điệu.

Gian chính của di tích nằm phía trên cửa Ngọ Môn và hai cửa Giáp Môn tả, hữu được sơn son thiếp vàng, nhiều họa tiết trang trí trên cột gỗ là hình rồng.

Bên trong gian chính trưng bày các tư liệu lịch sử về công cuộc xây dựng cửa Ngọ Môn, lầu Ngũ Phụng.

Đứng trên lầu, có thể quan sát được điện Thái Hòa, hồ Thái dịch, Kỳ Đài và phong cảnh xung quanh.

Lầu Ngũ Phụng nhìn từ bên trong Hoàng cung ở hồ Thái dịch.