원본은 채색본(彩色本)의 대형 천문도(天文圖)로서, 원형(圓形)의 천문도와 3부분의 도설(圖說)로 구성되어 있다. 한쪽 변이 164㎝인 정사각형 한지에 지름이 160㎝인 원 안에 별자리가 그려져 있으며, 족자(簇子) 형태로 보존되어 있다. 혼천도(渾天圖)의 채색 방식에 대하여 판나이(潘鼐)는 전통적으로 석씨(石氏), 감씨(甘氏), 무함씨(巫咸氏)의 3가성(三家星)으로 나누는 삼색회제(三色繪制)를 따른 것이라 하였다. 원형의 천문도 안에는 내규(內規)가 있고, 노란색의 황도(黃道)와 붉은색의 적도(赤道)가 그려져 있으며 엷게 칠한 은하수도 있다. 내규와 외규(外規) 사이에는 28개의 직선이 연결되어 있어 28수(宿)의 경계가 정해져 있는데 서로의 간격은 28수 별자리의 크기에 따라 다르다. 별들은 4가지 색(흑색, 회색, 주황색, 적색)으로 채색되어 있고 별들은 밝기에 따라 크기가 약간 다른 원으로 표시되어 있다. 또한 외규를 둘러싼 바깥쪽 테에는 12지(支)가 시계 바늘과 같은 방향으로 있다. 12지의 오른쪽에는 12차(次)와 12국(國), 왼쪽에는 12궁(宮)과 12주(州)의 이름이 왼쪽에서 오른쪽으로 적혀 있다.
천문도 안에 그려진 별자리의 모습과 28수 사이의 각거리를 나타내는 28수 거도(距度)와 12차가 궁과 만나는 위치인 12차의 교궁수도(交宮宿度) 등 기본적인 형태는 태조(太祖) 때 석각본(石刻本)인 「천상열차분야지도(天象列次分野之圖)」를 그대로 따르고 있다. 그러나 12차, 12궁, 12분야(分野)에 대한 배치와 표현이 약간 다르고, 동지(冬至) 때 태양의 위치를 알 수 있는 황도와 적도의 교점 위치가 『대통력법(大統曆法)』에 따라 제작 당시 고쳐 그려진 것임을 나타내고 있다. 도설에 따르면 이 천문도는 조선 태조(太祖) 때 석각 천문도인 「천상열차분야지도」에 의거하여 제작되었으며, 황도와 적도가 만나는 교점의 도수인 춘분점(春分點)과 추분점(秋分點)의 위치는 대통력법(大統曆法)에 따라 제작 당시의 위치로 고쳐서 작도(作圖)한 것이다. 그러나 도설에 기록된 제작 당시의 동지 때 태양의 위치를 나타내는 ‘기4도(箕四度)’는 1680년대 부근으로 계산됨에 따라 제작자가 세종(世宗) 때의 박연(朴堧)과는 직접적으로 관련이 없는 것으로 추정된다.