唐神都洛阳的皇宫基本上保留了隋代建筑规模和样式，皇城绕其四周。它位于皇城之北，西有夹城，东有东城，北有圆壁、曜仪之重城，整个宫城落入皇城北部。据考古勘察，城北墙从郭城的西北角往南五百八十四米，再东折一百八十米，即北墙的西端起点，往东经今孙家坑，全长一千四百米；西墙由北墙的西端点起，往南至今中州路北侧，全长一千九百七十七米。南墙颇多曲折，从西墙南端起，往东经今定鼎南路、周公庙至予通街小学操场以东三十米处，全长两千零七十米。南墙东西两端各长三百四十米一段，均北曲五十七米，形成东南与西南两角内凹的对称形状；东墙自北墙东端点起，往南折二百七十五米，后向东折三百三十米，至统角村东北角又复南折，全长一千二百七十五米，整个宫城呈倒“凸”状。城垣高四丈八尺，宽度在十五至十六米左右，夯层厚八至十厘米，内外皆包砖。因此，神都洛阳宫城无论在建筑的气魄上，还是在防卫的严谨上都超过了隋朝。
唐代洛阳皇宫周回十二里，四面有十二个门，均承隋制，只是城门名称略有变动。南面五门：中间是则天门（神龙元年，改称应天门），东为明德门（隋称兴教门），削为长乐门（隋称光政门），此外明德门东有门东启，称宣政门，长乐门西有门西启，称隆琼门（后避唐明皇讳改崇庆门）；北面二门：东为安宁门，西为玄武门；东面二门：北为重光北门，南为重光门，门向南开；西面三门：北为豫嘉门（隋称宝城门），中为洛城西门（也称方渚门），南为洛城南门，门向南开。 在固若金汤的宫城之内，有殿、台、馆三十五所。殿堂相峙，楼台林立。主要大殿有：万象神宫、贞观殿、洛城殿、武成殿、长生殿、集仙殿、瑶光殿、丽春台、同心阁、登春阁等等。这些宫殿大都面南坐北，高低相间，沿中轴线展开，次序井然，错落有致。
宫城正门是则天门，神龙元年（705年）为避武则天之讳，改为应天门，后又称神龙门、五风楼。隋代则天，门建筑最为奢华，门上飞观相夹，观有二重，上重为紫微观，左右连阙高一百二十尺。武德四年（621年）秦王李世民攻克洛阳，以其太奢，遂命拆毁。唐高宗迁洛时，加以重修和营建，恢复了隋时的豪华与气派。从现代考古挖掘来看，该门当年是极为崇宏的巨大建筑群。建筑形制为一门三道。城门平面呈凹形，由门楼、朵楼、阙楼组成，下部台基的范围东西达一百二十米以上，南北达六十米，城门进深二十五米，在这样的台基上建起一百二十尺（合今35米）的城门，其雄伟壮观是不难想象的。门道基石呈南北向三排，每排间距三点五至四米，在洛阳市周公庙和洛阳日报社院内，仍然可以看到当时城门的遗址。向南突出的巨大双阙为三出阙，保留长度四十五米，阙南端宽三十米，二阙之间的距离八十三米，阙与城门之间有宽十七点五米的城墙相接，相接处加宽到二十一米；朵楼为方形，夯土台基每边长约十八米；城门东西两侧的朵楼、阙楼以厩庑相连；厩庑宽十一米，高四米，为夯土基础，两侧分布着整齐的柱洞，洞外侧砌有青条石基础一至三排，基石中间以铁链细腰相连，固定在一起；基石外又铺设石散水三排，宽二点一米，整齐划一。这一组崇宏巨大的建筑群，充分表现出中国封建社会鼎盛时期雄伟壮观的都城建筑风格。这一建筑形式对后代都城建设有着深远的影响，如北宋时汴梁宫城南门的丹风门，明清时代北京的午门，都是这种形式演变来的。
则天门是座具有特殊意义的建筑，它是皇权的象征和标志。肆赦、观（酉甫）、改元、建国、献俘受降、接见外国使臣要人等重要政治活动皆与此门有不解之缘。660年，高宗登则天门楼，接受百济俘虏并全部释放以显示他的仁义和慈爱；开元二十年（733年）5月，玄宗登则天门楼接受信安王献来的奚、契丹的俘虏，第二年，又在此接见了日本第八次“遣唐使”。
入则天门内，有永泰门、乾元门，接着是宫城正殿——万象神宫，又称明堂，其位置正对则天门，坐落在中轴线上，据历史记载：高度约在88米左右，底层各边长约90米，这无疑是中国古代建筑史上最高大的木结构单体建筑，同时也是唯一一座楼阁式皇宫正殿建筑。李白天宝初年游洛阳时曾作《明堂赋》，不禁唏嘘慨叹——“盛矣，美矣！皇哉，唐哉！
万象神宫几经变迁，几度兴废，显现了武则天好大喜功的勃勃雄心。这里原址为隋朝乾阳殿，其时建筑已极尽奢侈之能，但随着洛阳被李世民的攻克而被屈突通纵火焚毁；麟德二年（665年），高宗诏令司农少卿田仁汪在殿旧址上重新营建。殿成，称乾元殿。高一百二十尺，东西三百四十五尺，南北一百七十六尺，规模虽小于隋制，但也绮丽非常。大殿建筑在巨大的三重平台之上，九间九檩的三层重檐楼阁，前面一排是八根浮雕着腾云起雾造型的盘龙金柱，每根两人难以合围。红墙黄瓦、飞檐排角、雕梁画栋、透花棂窗，真是神功鬼斧、光怪陆离、辉煌金碧、巍峨壮观。前面平台上摆着不少鎏金铸造的飞龙、彩凤、麒麟、雄狮，使整个乾元殿呈现出一派雄伟壮丽的景象。从此，这个大殿便成了皇帝处理朝政的重要殿宇，许多政令都从这里发向全国。
武则天为表现治国理政的公正无私与宽宏大度，于垂拱元年（685年），命令在殿外置登闻鼓及肺石，百姓可以随时击打登闻鼓，或站在肺石上控诉地方官吏，鼓石旁不设守卫，一旦有人击鼓或立石上，即令御史接受诉状。
垂拱三年，武则天力排众议，不顾宗室大臣的极力反对，决定拆毁豪华气派的乾元殿，在神都洛阳乾元殿的基址上修建明堂。
明堂，是古来发布政令、祭祀天地的地方，是古代国家的政治中心。按周朝古制，应建在距宫城三里之外、七里之内、山之僻处，且只能是一间小小的茅蓬的规模，以示帝王与民休戚与共。武则天根本不理睬这些陈旧的观念习俗，以明堂离宫城太远，祭祀不便，往来劳累为由，令在宫内建造。建筑工程极为浩大，每日役数万人，·但从拆毁乾元殿，到扩大地基、明堂竣工仅仅用了九个月时间，垂拱四年（688年）12月建成。
传统的明堂形式是五室、四门、八户、四阶。武则天所建的明堂具有新的独特的艺术风格。建筑为上下三层，底层是正方形，东、南、西、北，分别配以青、红、白、黑四种颜色，象征着春、夏、秋、冬四时，四面均开窗户；中层为正十二边形，供奉十二生肖像，象征十二时辰。697年，铸十二生肖像，放在中层（暗示着天下万民尽在掌握之中）；上层是二十四棱柱体，象征二十四节气；屋顶是圆形，由九条云龙捧着，屋顶上站着一只丈余高的饰金凤凰，凤凰昂首独立，前爪伸开，向着端门，象征着武则天攫取天下的雄心。整个建筑东西南北各宽三百尺，高二百九十四尺，气象雄伟、庄严辉煌，“去都百余里，遥望见之”。明堂的内部结构也很特殊，正中有一根十围巨柱，直通顶部，（木而）栌（木掌）均以巨木柱为根本，互相用铁索系连，颇似现代的雨伞，使得三层神殿一气贯通，浑若天成。巨木柱通体涂以丹青，饰以珠玉，刻木为瓦，夹伫漆之。明堂之下，用铁铸渠，做群雍为疏水设施；台阶上绕以石雕栏杆，内作台阶，台阶很大，每一边都可以作成一百米的跑道。这样宏伟的建筑，凝聚着劳动人民晶莹的汗水，也体现了无数工匠非凡的才华。明堂也因其宏伟、富丽、光采夺目，而被武则天命名为万象神宫。
万象神宫后，有天堂。天册万岁元年（685年），武则天又命僧人薛怀义作夹伫大佛像，并“于明堂之北起天堂五级，以贮大像”。天堂比明堂建造得更为雄奇，高逾明堂百尺，上三级即可尽览洛阳胜景。天堂贮藏的夹伫大佛像，高大壮观，其小指中犹容数十人，比龙门奉先寺的卢舍那大佛还要壮奇。而夹伫造像工艺，也在此时显示了它绝妙的工艺水平。这种工艺是以伫麻布等纺织品为主要原料，用特殊的技法，塑造人物、花卉、走兽等，手法奇特，效果极佳。
天堂之北为贞观殿，隋时称大业殿，它是仅次于万象神宫的殿宇，为皇帝内寝宫殿之一。弘道元年（683年）11月，高宗封禅泰山，病重在奉天宫，驾归东都，居贞观殿静养，一日，想登则天门楼宣赦，“气逆不能乘马”，乃召群臣百姓入殿前宣赦，是夜召宰相裴炎入殿，遗诏辅政，随即崩于贞观殿。这位一生毫无作为、大权旁落的皇帝撒手西归，朝政大权从此全部落入武则天手中。此后，武则天称制六年，称帝十五年，使唐初政治气氛谐经济振兴，全面奠定了盛唐到来的基础。明堂西侧是武成殿，殿为三进门：一进为光范门（又称敷政门），更进为乾化门（又称千福门），再进为武成门；殿东面有一门为东明门。此殿的建筑颇为宏丽，是天子听政和召见群臣的殿堂。光宅元年（684年）2月，武则天御武成殿，皇帝率王公以下上尊号。武后称制，遣礼部尚书武承嗣册嗣皇帝，自此，武则天开始了六年的垂帘听政。
武成殿之西，长乐门内为广运门，北为明福门，门内有中书省（宰相衙），其西侧有史馆；北为命妇院；院北有修书院；史馆南有内医局，北有尚食厨，是皇帝内寝供给的重要部门。
明福北、武成殿西北，有迎仙门，是武则天所造，后称集贤门，门内有集仙殿，也称迎仙宫。武则天不仅在显示其政绩时毫不掩饰，而且在广选内侍上也同样不掩人耳目。据史载，武则天虽年已古稀，但精于保养之道，修饰打扮极为巧妙，“虽子孙在侧，不觉其衰老”，继宠幸薛怀义、沈南谬之后，又召幸了张易之、张宗昌兄弟。如此，尚嫌不足，又广选美少年，人内供奉，创设控鹤监、丞、主簿等官，另择学士才人，作为陪选。用司卫卿张易之为控鹤监，张昌宗等为控鹤监内供奉。武则天除视朝听政外，就是与这班供奉官在迎仙宫饮酒、博局戏为乐。 开元十三年（725年）4月，唐明皇在此殿宴请中书省、门下省官员，礼官及学士，他看到满座人才济济，非常高兴，大声对大家说：神仙的说法，虚无飘渺，我不信，贤才，却是帮助我治理国家的根本，我看，这个集仙殿，应改名“集贤殿”。从此，迎仙宫改为集贤门，集仙殿改为集贤殿，殿中的丽正书院改为集贤书院。
集贤书院是唐政府组织编书、抄书等图书整理和管理工作的机构。唐明皇非常重视这项工作，在书院设置晶位较高的官职，五晶以上为学士，六品以下为直学士，当时宰相张说任知院事，左散骑常侍徐坚任副知院事。书院的编校抄工作对发展唐文化和保留传统文化起了重要作用。
明福门西，洛城南门内是洛城殿。武则天称帝后，于天授元年（690年）2月，亲御洛城殿出题考试，策贡士于洛城殿，开科举考试中所谓“殿试”的先例。当时考中前三名的依次称状元、榜眼、探花。这是武则天极为明智的一招，她一贯重用人才，为了能登基，她罢免了许多宗室大臣，这样自然就需要起用一大批新兴地主阶级知识分子来强化她的统治，殿试之举，一则表示了她重视人才，二则使考生对皇帝产生敬重感，参政后更加支持她的政权。自此，在十五年的执政中，增加科举考试科目，扩大应考范围，不问门第，不拘资历，选拔人才，许多中小地主出身的文人士子，通过科举大量进入政权机构，从而进一步削弱了门阀士族在政权中的地位。对于她所任用的人才，都放手发挥他们的才能，使其为国出力，并不断地考核他们，如果发现不称职，立即革免或调往称职岗位；如果发现以权谋私、贪污受贿，或政治上背叛自己的，轻者削职治罪，重者判刑杀头，因而，唐初政治空前安定。
洛城殿东北有仙居殿，殿南为集贤殿，殿东为亿岁殿、同明殿，北有九洲池。九洲池，其池屈曲，像东海之九洲，居地十顷，水深丈余，鸟鱼翔泳，花卉罗植。池中有洲，洲中有瑶光殿，为隋代所建，武后常到此游玩。天册万岁元年，太后因厌恶薛怀义的骄恣不驯，密选宫人有力者百余人埋伏殿前，诱其前来，“执之于瑶光殿树下”，然后派建昌王武攸宁率壮士将其打死，送到白马寺焚尸造塔。在瑶光殿南有亭，名琉璃，又南有一柱观，两者均为隋建。
武成殿北是长生院，院中有长生殿，是皇宫内寝，武则天居此殿。晚年她颇崇佛教，也许是早年杀戮太多，想借念佛来忏悔赎罪。
贞观殿北为徽猷殿，殿前石池，东西五十步，南北四十步；殿北为崇勋殿，再北为陶光园，东西数里，南面有长廊，园中有东西渠，西通神都苑；再北即为玄武门。
陶光园之西、长生殿以北是观文殿、同心阁、丽日台、临波阁等建筑，临波阁北有池，池中有两洲，东洲有登春阁，其下为澄华殿，西洲有丽绮阁，其下有凝华殿。池北有隋代建造的安福殿。
九洲池西即隔城（亦称夹城）。南北二百七十五米，东西一百八十米。南面开一门，为单门道结构，门道宽十米。城内建筑颇多，南有三堂、北有二堂；’隔城之上有阊闾阁，南北都设观象台，下有荫殿，东西二百五十尺，南北二百尺；西有映日台，往南依次有百戏堂、仪鸾殿、五殿、德昌殿、饮羽殿。
明堂东侧，明德门内有会昌门（隋名），又北有章善门，门内有门下省、弘文馆等建筑，恰好与明福门东西相对映；门东面为东启之门——太和门；章善门北有南北向两排建筑，东面向北依次为文思殿、庄敬殿、飞香殿、袭芳院，到达安宁门；西面与庄敬殿并排向北依次为大仪殿、丽春台、流杯殿、弘微殿，到达陶光园。
宫城东南隅为东宫，正门为重光门，东西各有小门，东为宾善，西为延义，宫中有马坊。
武则天执政的十五年中，政治安定，经济发展，市场繁荣，城市兴旺，这也助长了武则天骄奢淫乐的享受思想。不但宫城中的建筑极尽绮丽、豪华，其他离宫也雕饰华贵，富丽堂煌。其中较负盛名的有上阳宫、三阳宫、紫桂宫、奉天宫以及神都苑中的高山、宿羽、合璧宫。
上阳宫，位于皇城西南隅，神都苑之东。南临洛水，西距谷水，东接皇城右掖门之南，北连神都苑，始建于高宗调露元年（679年）。当时高宗与武后东幸洛阳，巡察了新落成的高山、宿羽两宫后，来到洛河之滨，颇觉有临眺之美，即诏令司农卿韦机临洛水更造宫殿，与高山、宿羽两宫相映成趣，以便登高临深，尽览洛阳之美色。
韦机善于迎合皇帝之意，上阳宫很快落成，营造得壮丽非凡，其豪华富丽的气派远远超出了高山、宿羽两宫，因而大受高宗赞赏。武则天很快便迁入上阳宫处理政务。
上阳宫南临洛水，沿洛水建有延亘一里的长廊，雕饰华丽，远远即可看见，为此，尚书左仆射刘仁轨对狄仁杰说：古代的波池台榭都在深宫重城之内，而不让外人看见它，恐怕伤了老百姓的心，韦机却列岸修廊于堙堞之外，万方朝谒之时无不觌之，这哪里是致君于尧舜之意啊。侍御史狄仁杰劾奏韦机，罪名便是引诱皇帝行奢侈之风，韦机因此被罢官。
上阳宫正门正殿都向东，以取与宫城连成一体之意。东面有两门：正门是提象门，北门是星躔门；南面两门：东为仙洛门，西为通仙门；北面一门是芬芳门；西面两门，名已无从考证。
宫内正殿为观风殿，殿韵为观风门，东对提象门；门南墙角有浴日楼，临洛水；北墙角有七宝阁；观风殿内有丽春台、耀掌亭、九洲亭等建筑物。观风殿为上阳宫中最绮丽的宫殿，高宗和武则天常在此听政。神龙元年，玄武门兵变后，武则天被迫迁居此殿。中宗每十天率百官到观风殿问候武则天的起居。由于大权丧失，众叛亲离，加上无心修饰，武则天很快变得羸弱憔悴，神龙元年（705年）11月，殁于观风殿北的仙居院，终年八十二岁。武则天叱咤风云几十年，当皇帝十五年，但她最终不敢以皇帝的身份去见高宗，于是遗制：去帝号，称则天大圣皇后。中国历史上唯一的一位女皇帝就这样凄凉地死在这雕饰华丽的上阳宫中。仙居院南有化城院，化城院西南有甘露殿，甘露殿东是双曜亭，西是麟趾殿，麟趾殿前东为神如亭，酉为玄洞堂。观风殿西是本枝院，又西是丽春院、芙蓉亭、宜男亭。
芬芳门内有芬芳殿；通仙门内有甘汤院，又东北为玉京门，门内北为金阙门，南为太初门；玉京门西有客省院、荫殿、翰林院，西北为仙桃门，又西为寿昌门。
上阳宫西北有上清观，内有女道士处所。
上阳宫西，隔谷水，有西上阳宫，虹桥跨谷，以通往来。
宫中除了绮丽奢华的建筑之外，还有着优美的环境，宫内引谷、洛二水，清渠萦回，竹木森翠。沿洛水之滨的曲折长廊，可凭栏眺望。其环境之优美，宫殿之壮丽，可谓至矣。李庚《东都赋》赞道：“上阳别宫，丹粉多状，鸳瓦鳞翠，虹桥叠北。横延百堵，高量十丈，出地标图，临流障也。”唐人诗人王建在《上阳宫》一诗里，描绘了这样一幅胜景：
上阳花木不曾秋，洛水穿宫处处流；
画阁红楼宫女笑，玉箫金管路人愁；
幔城入涧橙花发，玉辇登山桂叶稠；
曾读列仙王母传，九天未胜此中游。
这座雕甍绣阁、金碧辉煌的宫殿，为神都洛阳平增了几分姿色。尤其是正月十五元宵节，这里更是迷人的场所。唐朝洛阳被誉为花城，虽说多指“牡丹花”而言，但也有传说是指“花灯”。当时灯节一般三天，这三天，家家是灯，处处烟火，金吾不禁，玉漏莫催。宫庭里更是大陈灯彩，用丝绢作灯，上挂金玉穗坠。一次玄宗移驾上阳宫观灯。匠人毛顺心，结构绦楼三十余间，金翠珠玉，间厕其中，楼高一百五十尺，微风吹动，锵然成韵。有的灯作成龙风螭豹腾踯翻动的状貌，玄宗见了大悦。唐诗人元稹作《灯影》诗：
洛阳昼夜无车马，漫挂红纱满树头；
见说平时灯影异，玄宗潜伴太真游。
然而就是这座凝聚着劳动人民智慧的建筑，却成了统治者宣泄荒淫无耻生活的场所，上阳宫里，浸积了多少宫女的怨和泪。武则天位居此宫时，美女如云，佳丽成群，至唐玄宗时，频繁的东幸，使上阳宫成为嫔嫱妤婕们竞宠的殿宇。自玄宗宠幸杨贵妃后，后宫人无复进幸，六宫中稍有美色，辄置别所，上阳宫也成为幽禁美人的冷宫。昔日高大威严的宫殿犹存，可是那千官扈从、群臣迎驾的盛大场面已不复再见，没有喧赫的车马，更没有轻妙的歌舞，宫殿重门紧闭，画栋雕梁也失去了灿烂的光泽。“绿衣监使守宫门，一闭上阳多少春”，就是当时上阳宫遭到冷落的具体写照，宫女们“玄宗末年初选人，入时十六今六十”，她们苦守空阁，失去自由和青春，“红颜暗老白发新”，成了统治者的牺牲品。雍陶在《天津桥春望》中写道：
津桥春水浸红霜，烟柳风丝佛岸叙；
翠辇不来金殿闭，宫莺衔出上阳花。
宫女们日复一日、年复一年地等待，企盼着君王驾幸东都，宠幸自己，然而，“玉辇西巡久未还，春光犹入上阳间；万木长承新雪露，千门空对旧河山；深花寂寂宫城闭，细节青青柳树间；独见彩云飞不尽，只应来去候龙颜”。上阳宫犹如一座监狱，锁住了宫女们的自由，上阳宫酷似一座活坟墓，埋藏了数不清宫女们的青春和幸福。
金殿闭锁，宫花寂寥，上阳宫自天宝以后，不复为帝王所重视，渐渐地为人们所淡忘。
除上阳宫之外，在洛阳附近还有许多行宫。有龙门山东万安山上的万安宫（也称三阳宫、兴泰宫）；渑池西的紫桂宫，嵩阳县（现登封）嵩山脚下的奉天宫，邙山翠云峰的避暑宫。
