三清殿是供奉道教三清殿祖像，是永乐宫中主要的一座殿宇。面宽七间进深四间八椽单椽庑殿顶，矗立在一个高大的台基上，巍峨壮丽，冠于全宫，殿前设大月台，秋瓦墁方砖，月台的两侧复各设朵台一个，上下各设踏道四条，象眼部分以条砖镶砌成菱形图案，叠涩达五层之多。与洪洞县广胜寺元建明应王殿踏道象眼的做法十分相近。
这种月台的布局，显然是根据道观设醮时陈设供器和执事人员的活动而设计的，故与一般月台的做法有所不同。殿的平面配置，为了扩大空间，采用“减柱造”，仅后半部设金柱八根，垒扇面墙三堵，作为安置偶像的神龛，其余金柱均减去不用。前檐仅东西两尽间砌以檐墙，其余五间俱装隔扇，以供采光和人流出入之用，后檐明间装板门两扇，以通后殿，剩下的东西山面和后檐俱垒砌土坯砖墙，绘制大幅人物壁画——《朝元图》，精美绝伦。
前槽和神龛部分设“藻井”六口，其余部分均遮以天花板。藻井有圆形和八角形两种，周围俱用五层细密的斗拱来承托。顶板上雕刻蟠龙，斗拱构件的比例形制都与宋《营造法式》制度相符，是元代“小木作”中不可多得的杰作。此外明间阑额彩画是在木材上镂刻而成的，透剔玲珑，也是少见的实例。殿内半木共、梁额和蟠眼壁上还保存着丰富的建筑彩画，以如意头、角叶、织锦纹、旋花、云龙纹、荷花和牡丹花等为题材，构图章法比较灵活自如，从色彩的富丽程度来看，是“五彩遍装”，其中以前槽几根四椽木伏上彩画为精彩。在图案格式主面，与当地所见的明代彩画已有某些接近，是一种过渡形式，对于研究明代彩画的源流有很高的参考价值。
据实侧，前后檐柱、金柱和山柱径为50厘米（两材一契强），角柱径55厘米（两材一契弱），内檐角金柱径为60厘米，可以看出所有角柱都比较粗巨，这对于增强屋角的刚度极为有利。此外在两山墙和后檐墙里面还埋设着直径25厘米的支柱六根，这是由于殿内四角各有抹角木伏一根，两头都搁在阑额上，荷载量很大，为防止阑额压折，故采取了这种顶柱加固的措施，以利安全。殿内地面铺墁方砖，方32厘米，厚６.５厘米，底面模印“米”字方格，便于座灰挤实，这是一种特制的方砖，比较少见。露明柱俱用复盆柱础，方90厘米，厚8.5厘米，方不足往径的两倍，砖砌台基高2.38米，台帮和台面都有显著的“收分”和“散水”。 外檐斗拱六铺作单抄双下昂重拱造，材高20.7厘米，原子产13.5厘米，折元尺6寸７分，为五等材。补间铺作用两朵，工艺制作极工整，斗拱的形式和尺度比例与宋《营造法式》规定几无分别，阑额高40厘米（折29分），宽13.5厘米（折9.8分）断面比例适为3:1，用材颇为经济。角柱长度高出明间平柱16厘米，生起五寸二分，较宋《营造法式》规定“七间生起六寸”的比例略小一点。但柱的侧脚，经实测结果，正面侧1.3%，侧面侧1:7%，超过1%的惯例，是其特点，明间平柱高5.34米，超过开间约90厘米，就柱高与面宽的比例而言，三清殿的柱高为突出。
