观星台系砖石混合建筑结构﹐由盘旋踏道环绕的台体和自台北壁凹槽内向北平铺的石圭两个部分组成﹐台体呈方形覆斗状﹐四壁用水磨砖砌成。台高9.46米﹐连台顶小室统高12.62米。顶边各长8米多﹐基边各长16米多﹐台四壁明显向中心内倾﹐其收分比例表现出中国早期建筑的特徵。台顶小室是明嘉靖七年(公元1528年)修葺时所建。台下北壁设有对称的两个踏道口﹐人们可以由此登临台顶。在环形踏道及台顶边沿筑有1.05米高的阶栏与女儿墙﹐皆以砖砌壁﹐以石封顶。为了导泄台顶和踏道上的雨水﹐在踏道四隅各设水道一孔﹐水道出水口雕作石龙头状。台的北壁正中﹐有一个直通上下的凹槽﹐其东﹑西两壁有收分﹐南壁上下垂直﹐距石圭南端36厘米。
石圭用来度量日影长短﹐所以又称“量天尺”。它的表面用36方青石板接连平铺而成﹐下部为砖砌基座。石圭长31.196米﹐宽0.53米﹐南端高0.56米﹐北端高0.62米。石圭居子午方向。圭面刻有双股水道。水道南端有注水池﹐呈方形﹔北端有泄水池﹐呈长条形﹐泄水池东﹑西两头凿有泄水孔。池﹑渠底面﹐南高北低﹐注水后可自灌全渠﹐不用时水可排出。泄水池下部﹐有受水石座一方﹐为东西向长方形﹐其上亦刻有水槽一周。
中国著名的天文学家郭守敬﹐在元初对古代的圭表进行了改革﹐新创比传统“八尺之表”高出五倍的高表。它的结构和测影的方法﹑原理在《元史·天文志》中有较详细的记述。当时建筑在元大都的高表据记载为铜制﹐圭为石制。表高50尺﹐宽2尺4寸﹐厚1尺2寸﹐植于石圭南端的石座中﹐入地及座中14尺﹐石圭以上表身高36尺﹐表上端铸二龙﹐龙身半附表侧﹐半身凌空擎起一根6尺长﹑3寸粗的“横梁”。自梁心至表上端为4尺﹐自石圭上面至梁心40尺。石圭长度为128尺﹐宽4尺5寸﹐厚1尺4寸﹐座高2尺6寸。圭面中心和两旁均刻有尺度﹐用以测量影长。为了克服表高影虚的缺陷﹐测影时﹐石圭上还加置一个根据针孔成像原理制成的景符﹐用以接受日影和梁影。景符下为方框﹐一端设有可旋机轴﹐轴上嵌入一个宽 2寸﹑长4寸﹑中穿孔窍的铜叶﹐其势南低北高﹐依太阳高下调整角度。正午时﹐太阳光穿过景符北侧上的小孔﹐在圭面上形成一很小的太阳倒像。南北移动景符﹐寻找从表端横梁投下的梁影。这条经过景符小孔形成的梁影清晰实在﹑细若发丝。当梁影平分日像时﹐即可度量日影长度。
登封观星台的直壁和石圭正是郭守敬所创高表制度的仅有的实物例证。所不同的是﹐观星台是以砖砌凹槽直壁代替了铜表。经过实地勘测推算。直壁高度和石圭长度等结构与《元史》所载多相符合。石圭以上至直壁上沿高36尺﹐从表槽上沿再向上4尺﹐即为置横梁处﹐恰在小室窗口下沿﹐很适合人们在台顶操作。由此至圭面为40尺。通过仿制横梁﹑景符进行实测﹐证明观星台的测量误差相当于太阳天顶距误差1/3角分。
除了测量日影的功能之外﹐当年的观星台上可能还有观测星象等设施。元初进行“四海测验”时﹐在此地观测北极星的记录﹐已载入《元史·天文志》中:“河南府阳城﹐北极出地三十四度太弱。”(“太弱”为古代一度的十二分之八)又据明万历十年(公元1582年)孙承基撰《重修元圣周公祠记》碑载:“砖崇台以观星。台上故有滴漏壶﹐滴下注水﹐流以尺天。”由此可知观星台当是一座具有测影﹑观星和记时等多种功能的天文台。
