1991년 국가민속문화재(현, 국가민속문화유산)로 지정되었다. ‘천왕단(天王壇)’이라고도 한다. 산 정상의 천왕단을 중심으로 북쪽 뒤에는 장군단이 있고, 남쪽 언덕 아래 하단(下壇)이 있다. 천제단에서는 매년 10월 3일 개천절에 제의를 행하는데 이를 천제 또는 천왕제라고 한다.
태백산은 일찍이 신라 삼산오악(三山五岳) 중 북악(北岳)으로 이를 진산으로 여겨 나라에서 제사한 기록이 『삼국사기』 제사조에 전하며, 『고려사』에도 무녀(巫女)가 참여하여 제의를 행한 기록이 전하고 있다.
이처럼 태백산은 이미 신라 초기부터 신산(神山)으로 여겨 제의를 행하여왔다. 천제단은 돌을 쌓아 만든 제단으로 높이 2.4m, 둘레 27.5m, 좌우너비 7.36m, 전후너비 8.26m나 되는 타원형의 거대한 석단이다.
남쪽으로 나 있는 돌계단을 올라가면 단 상부에 제단이 있어 여기에 제물을 진설하고 제사를 올린다. 돌계단은 원래 아홉 단이어서 9단 탑이라 불리기도 한다. 개천절 때 제의는 원래 지방 관장(官長)이 맡았으나 지금은 선출된 제관에 의해서 집례된다.
홀기(笏記)에 의하면 제의절차는 개의(開儀) · 참령(參靈) · 전폐(奠幣) · 진찬(進餐) · 주유(奏由) · 주악(奏樂) · 원도(願禱) · 사령(辭靈) · 폐의(閉儀)의 순서로 진행된다. 진설은 천수(天水) · 천래(天來) · 천과(天果) · 천탕(天湯) · 천채(天菜) · 사지(絲贄) · 곡지(穀贄) · 화지(貨贄) · 천반(天飯)을 올린다.
『동국여지승람』에 의하면 춘추제사 때 소를 매어 신에게 바쳤는데, 산에 소를 매어놓고는 뒤를 돌아보지 않고 내려와야 했다고 하여 엄격한 금기가 있었음을 알 수 있다. 천제단 중앙에는 칠성기와 현무기를 세우고 33천기와 28수기를 꽂았으며 제관들은 모두 흰 도포를 입었다고 한다.
그리고 제관이 되면 1년 동안 목욕재계하고 제사 때는 산에서 자고 자정에 제사를 올렸다고 한다. 이 천제단은 그 규모가 우리나라에서 제일 클 뿐만 아니라 민족사의 시초설화에도 등장하며 지금도 제의가 전승되고 있다는 점에서 의의를 지닌다. 오늘날도 태백산 일대는 신산으로서 성무(成巫)와 수련(修鍊)의 도장으로 여겨지고 있다.