태백산은 『삼국사기』를 비롯한 여러 기록에서 신산(神山)으로 섬겨져 제천의식의 장소가 되었음을 엿볼 수 있는데, 천제단은 이러한 제를 올리기 위해 만든 제단이다. 천제단은 태백산 정상에 있는 천왕단을 중심으로 북쪽 약 300m 떨어진 곳에 장군단과 남쪽 아래에 있는 이름 없는 제단(하단, 下壇)으로 구성되어 있다. 이들은 북에서 남으로 일직선상에 배열되어 있다. 천왕단은 2m 남짓한 높이로 자연석을 쌓아 남쪽으로 단을 조성한 원형제단이다. 그 위에 4각 자연석 제단과 대종교에서 단군을 모신 장소로 성역화하는 과정에서 세운 것으로 알려진 “한배검”이라고 쓴 비석이 있다. 장군단은 남쪽에 계단이 있는 석단으로 내부에 제단이 있으며 그 위에 자연석을 비석처럼 세워 놓았다. 천왕단 남쪽 아래의 숲 속에 위치한 하단은 규모가 작고 강원특별자치도 산간에서 흔히 볼 수 있는 돌탑보다 약간 큰 규모의 제단으로 소박하고 단아한 인상은 준다. 제단을 세운 시기는 정확히 알 수 없으나 부족국가시대부터 이곳에서 천제를 지냈다고 전해지는 것을 보면 그 역사가 매우 오래되었음을 알 수 있다.
태백산 천제단은 신라, 고려, 조선을 거쳐 일제강점기까지 천제를 지낸 의식이 전해져, 매년 개천절에는 국가의 태평과 안녕, 번영을 기원하기 위해 하늘에 제사를 지내는 장소로 이어지고 있다. 또한 매년 개최되는 강원도민체전의 성화 채화 장소로도 이용되고 있다.