唐神都洛陽的皇宮基本上保留了隋代建築規模和樣式，皇城繞其四周。它位於皇城之北，西有夾城，東有東城，北有圓壁、曜儀之重城，整個宮城落入皇城北部。據考古勘察，城北墻從郭城的西北角往南五百八十四米，再東折壹百八十米，即北墻的西端起點，往東經今孫家坑，全長壹千四百米；西墻由北墻的西端點起，往南至今中州路北側，全長壹千九百七十七米。南墻頗多曲折，從西墻南端起，往東經今定鼎南路、周公廟至予通街小學操場以東三十米處，全長兩千零七十米。南墻東西兩端各長三百四十米壹段，均北曲五十七米，形成東南與西南兩角內凹的對稱形狀；東墻自北墻東端點起，往南折二百七十五米，後向東折三百三十米，至統角村東北角又復南折，全長壹千二百七十五米，整個宮城呈倒“凸”狀。城垣高四丈八尺，寬度在十五至十六米左右，夯層厚八至十厘米，內外皆包磚。因此，神都洛陽宮城無論在建築的氣魄上，還是在防衛的嚴謹上都超過了隋朝。
唐代洛陽皇宮周回十二裏，四面有十二個門，均承隋制，只是城門名稱略有變動。南面五門：中間是則天門（神龍元年，改稱應天門），東為明德門（隋稱興教門），削為長樂門（隋稱光政門），此外明德門東有門東啟，稱宣政門，長樂門西有門西啟，稱隆瓊門（後避唐明皇諱改崇慶門）；北面二門：東為安寧門，西為玄武門；東面二門：北為重光北門，南為重光門，門向南開；西面三門：北為豫嘉門（隋稱寶城門），中為洛城西門（也稱方渚門），南為洛城南門，門向南開。 在固若金湯的宮城之內，有殿、臺、館三十五所。殿堂相峙，樓臺林立。主要大殿有：萬象神宮、貞觀殿、洛城殿、武成殿、長生殿、集仙殿、瑤光殿、麗春臺、同心閣、登春閣等等。這些宮殿大都面南坐北，高低相間，沿中軸線展開，次序井然，錯落有致。
宮城正門是則天門，神龍元年（705年）為避武則天之諱，改為應天門，後又稱神龍門、五風樓。隋代則天，門建築最為奢華，門上飛觀相夾，觀有二重，上重為紫微觀，左右連闕高壹百二十尺。武德四年（621年）秦王李世民攻克洛陽，以其太奢，遂命拆毀。唐高宗遷洛時，加以重修和營建，恢復了隋時的豪華與氣派。從現代考古挖掘來看，該門當年是極為崇宏的巨大建築群。建築形制為壹門三道。城門平面呈凹形，由門樓、朵樓、闕樓組成，下部臺基的範圍東西達壹百二十米以上，南北達六十米，城門進深二十五米，在這樣的臺基上建起壹百二十尺（合今35米）的城門，其雄偉壯觀是不難想象的。門道基石呈南北向三排，每排間距三點五至四米，在洛陽市周公廟和洛陽日報社院內，仍然可以看到當時城門的遺址。向南突出的巨大雙闕為三出闕，保留長度四十五米，闕南端寬三十米，二闕之間的距離八十三米，闕與城門之間有寬十七點五米的城墻相接，相接處加寬到二十壹米；朵樓為方形，夯土臺基每邊長約十八米；城門東西兩側的朵樓、闕樓以廄廡相連；廄廡寬十壹米，高四米，為夯土基礎，兩側分布著整齊的柱洞，洞外側砌有青條石基礎壹至三排，基石中間以鐵鏈細腰相連，固定在壹起；基石外又鋪設石散水三排，寬二點壹米，整齊劃壹。這壹組崇宏巨大的建築群，充分表現出中國封建社會鼎盛時期雄偉壯觀的都城建築風格。這壹建築形式對後代都城建設有著深遠的影響，如北宋時汴梁宮城南門的丹風門，明清時代北京的午門，都是這種形式演變來的。
則天門是座具有特殊意義的建築，它是皇權的象征和標誌。肆赦、觀（酉甫）、改元、建國、獻俘受降、接見外國使臣要人等重要政治活動皆與此門有不解之緣。660年，高宗登則天門樓，接受百濟俘虜並全部釋放以顯示他的仁義和慈愛；開元二十年（733年）5月，玄宗登則天門樓接受信安王獻來的奚、契丹的俘虜，第二年，又在此接見了日本第八次“遣唐使”。
入則天門內，有永泰門、乾元門，接著是宮城正殿——萬象神宮，又稱明堂，其位置正對則天門，坐落在中軸線上，據歷史記載：高度約在88米左右，底層各邊長約90米，這無疑是中國古代建築史上最高大的木結構單體建築，同時也是唯壹壹座樓閣式皇宮正殿建築。李白天寶初年遊洛陽時曾作《明堂賦》，不禁唏噓慨嘆——“盛矣，美矣！皇哉，唐哉！
萬象神宮幾經變遷，幾度興廢，顯現了武則天好大喜功的勃勃雄心。這裏原址為隋朝乾陽殿，其時建築已極盡奢侈之能，但隨著洛陽被李世民的攻克而被屈突通縱火焚毀；麟德二年（665年），高宗詔令司農少卿田仁汪在殿舊址上重新營建。殿成，稱乾元殿。高壹百二十尺，東西三百四十五尺，南北壹百七十六尺，規模雖小於隋制，但也綺麗非常。大殿建築在巨大的三重平臺之上，九間九檁的三層重檐樓閣，前面壹排是八根浮雕著騰雲起霧造型的盤龍金柱，每根兩人難以合圍。紅墻黃瓦、飛檐排角、雕梁畫棟、透花欞窗，真是神功鬼斧、光怪陸離、輝煌金碧、巍峨壯觀。前面平臺上擺著不少鎏金鑄造的飛龍、彩鳳、麒麟、雄獅，使整個乾元殿呈現出壹派雄偉壯麗的景象。從此，這個大殿便成了皇帝處理朝政的重要殿宇，許多政令都從這裏發向全國。
武則天為表現治國理政的公正無私與寬宏大度，於垂拱元年（685年），命令在殿外置登聞鼓及肺石，百姓可以隨時擊打登聞鼓，或站在肺石上控訴地方官吏，鼓石旁不設守衛，壹旦有人擊鼓或立石上，即令禦史接受訴狀。
垂拱三年，武則天力排眾議，不顧宗室大臣的極力反對，決定拆毀豪華氣派的乾元殿，在神都洛陽乾元殿的基址上修建明堂。
明堂，是古來發布政令、祭祀天地的地方，是古代國家的政治中心。按周朝古制，應建在距宮城三裏之外、七裏之內、山之僻處，且只能是壹間小小的茅蓬的規模，以示帝王與民休戚與***。武則天根本不理睬這些陳舊的觀念習俗，以明堂離宮城太遠，祭祀不便，往來勞累為由，令在宮內建造。建築工程極為浩大，每日役數萬人，·但從拆毀乾元殿，到擴大地基、明堂竣工僅僅用了九個月時間，垂拱四年（688年）12月建成。
傳統的明堂形式是五室、四門、八戶、四階。武則天所建的明堂具有新的獨特的藝術風格。建築為上下三層，底層是正方形，東、南、西、北，分別配以青、紅、白、黑四種顏色，象征著春、夏、秋、冬四時，四面均開窗戶；中層為正十二邊形，供奉十二生肖像，象征十二時辰。697年，鑄十二生肖像，放在中層（暗示著天下萬民盡在掌握之中）；上層是二十四棱柱體，象征二十四節氣；屋頂是圓形，由九條雲龍捧著，屋頂上站著壹只丈余高的飾金鳳凰，鳳凰昂首獨立，前爪伸開，向著端門，象征著武則天攫取天下的雄心。整個建築東西南北各寬三百尺，高二百九十四尺，氣象雄偉、莊嚴輝煌，“去都百余裏，遙望見之”。明堂的內部結構也很特殊，正中有壹根十圍巨柱，直通頂部，（木而）櫨（木掌）均以巨木柱為根本，互相用鐵索系連，頗似現代的雨傘，使得三層神殿壹氣貫通，渾若天成。巨木柱通體塗以丹青，飾以珠玉，刻木為瓦，夾佇漆之。明堂之下，用鐵鑄渠，做群雍為疏水設施；臺階上繞以石雕欄桿，內作臺階，臺階很大，每壹邊都可以作成壹百米的跑道。這樣宏偉的建築，凝聚著勞動人民晶瑩的汗水，也體現了無數工匠非凡的才華。明堂也因其宏偉、富麗、光采奪目，而被武則天命名為萬象神宮。
萬象神宮後，有天堂。天冊萬歲元年（685年），武則天又命僧人薛懷義作夾佇大佛像，並“於明堂之北起天堂五級，以貯大像”。天堂比明堂建造得更為雄奇，高逾明堂百尺，上三級即可盡覽洛陽勝景。天堂貯藏的夾佇大佛像，高大壯觀，其小指中猶容數十人，比龍門奉先寺的盧舍那大佛還要壯奇。而夾佇造像工藝，也在此時顯示了它絕妙的工藝水平。這種工藝是以佇麻布等紡織品為主要原料，用特殊的技法，塑造人物、花卉、走獸等，手法奇特，效果極佳。
天堂之北為貞觀殿，隋時稱大業殿，它是僅次於萬象神宮的殿宇，為皇帝內寢宮殿之壹。弘道元年（683年）11月，高宗封禪泰山，病重在奉天宮，駕歸東都，居貞觀殿靜養，壹日，想登則天門樓宣赦，“氣逆不能乘馬”，乃召群臣百姓入殿前宣赦，是夜召宰相裴炎入殿，遺詔輔政，隨即崩於貞觀殿。這位壹生毫無作為、大權旁落的皇帝撒手西歸，朝政大權從此全部落入武則天手中。此後，武則天稱制六年，稱帝十五年，使唐初政治氣氛諧經濟振興，全面奠定了盛唐到來的基礎。明堂西側是武成殿，殿為三進門：壹進為光範門（又稱敷政門），更進為乾化門（又稱千福門），再進為武成門；殿東面有壹門為東明門。此殿的建築頗為宏麗，是天子聽政和召見群臣的殿堂。光宅元年（684年）2月，武則天禦武成殿，皇帝率王公以下上尊號。武後稱制，遣禮部尚書武承嗣冊嗣皇帝，自此，武則天開始了六年的垂簾聽政。
武成殿之西，長樂門內為廣運門，北為明福門，門內有中書省（宰相衙），其西側有史館；北為命婦院；院北有修書院；史館南有內醫局，北有尚食廚，是皇帝內寢供給的重要部門。
明福北、武成殿西北，有迎仙門，是武則天所造，後稱集賢門，門內有集仙殿，也稱迎仙宮。武則天不僅在顯示其政績時毫不掩飾，而且在廣選內侍上也同樣不掩人耳目。據史載，武則天雖年已古稀，但精於保養之道，修飾打扮極為巧妙，“雖子孫在側，不覺其衰老”，繼寵幸薛懷義、沈南謬之後，又召幸了張易之、張宗昌兄弟。如此，尚嫌不足，又廣選美少年，人內供奉，創設控鶴監、丞、主簿等官，另擇學士才人，作為陪選。用司衛卿張易之為控鶴監，張昌宗等為控鶴監內供奉。武則天除視朝聽政外，就是與這班供奉官在迎仙宮飲酒、博局戲為樂。 開元十三年（725年）4月，唐明皇在此殿宴請中書省、門下省官員，禮官及學士，他看到滿座人才濟濟，非常高興，大聲對大家說：神仙的說法，虛無飄渺，我不信，賢才，卻是幫助我治理國家的根本，我看，這個集仙殿，應改名“集賢殿”。從此，迎仙宮改為集賢門，集仙殿改為集賢殿，殿中的麗正書院改為集賢書院。
集賢書院是唐政府組織編書、抄書等圖書整理和管理工作的機構。唐明皇非常重視這項工作，在書院設置晶位較高的官職，五晶以上為學士，六品以下為直學士，當時宰相張說任知院事，左散騎常侍徐堅任副知院事。書院的編校抄工作對發展唐文化和保留傳統文化起了重要作用。
明福門西，洛城南門內是洛城殿。武則天稱帝後，於天授元年（690年）2月，親禦洛城殿出題考試，策貢士於洛城殿，開科舉考試中所謂“殿試”的先例。當時考中前三名的依次稱狀元、榜眼、探花。這是武則天極為明智的壹招，她壹貫重用人才，為了能登基，她罷免了許多宗室大臣，這樣自然就需要起用壹大批新興地主階級知識分子來強化她的統治，殿試之舉，壹則表示了她重視人才，二則使考生對皇帝產生敬重感，參政後更加支持她的政權。自此，在十五年的執政中，增加科舉考試科目，擴大應考範圍，不問門第，不拘資歷，選拔人才，許多中小地主出身的文人士子，通過科舉大量進入政權機構，從而進壹步削弱了門閥士族在政權中的地位。對於她所任用的人才，都放手發揮他們的才能，使其為國出力，並不斷地考核他們，如果發現不稱職，立即革免或調往稱職崗位；如果發現以權謀私、貪汙受賄，或政治上背叛自己的，輕者削職治罪，重者判刑殺頭，因而，唐初政治空前安定。
洛城殿東北有仙居殿，殿南為集賢殿，殿東為億歲殿、同明殿，北有九洲池。九洲池，其池屈曲，像東海之九洲，居地十頃，水深丈余，鳥魚翔泳，花卉羅植。池中有洲，洲中有瑤光殿，為隋代所建，武後常到此遊玩。天冊萬歲元年，太後因厭惡薛懷義的驕恣不馴，密選宮人有力者百余人埋伏殿前，誘其前來，“執之於瑤光殿樹下”，然後派建昌王武攸寧率壯士將其打死，送到白馬寺焚屍造塔。在瑤光殿南有亭，名琉璃，又南有壹柱觀，兩者均為隋建。
武成殿北是長生院，院中有長生殿，是皇宮內寢，武則天居此殿。晚年她頗崇佛教，也許是早年殺戮太多，想借念佛來懺悔贖罪。
貞觀殿北為徽猷殿，殿前石池，東西五十步，南北四十步；殿北為崇勛殿，再北為陶光園，東西數裏，南面有長廊，園中有東西渠，西通神都苑；再北即為玄武門。
陶光園之西、長生殿以北是觀文殿、同心閣、麗日臺、臨波閣等建築，臨波閣北有池，池中有兩洲，東洲有登春閣，其下為澄華殿，西洲有麗綺閣，其下有凝華殿。池北有隋代建造的安福殿。
九洲池西即隔城（亦稱夾城）。南北二百七十五米，東西壹百八十米。南面開壹門，為單門道結構，門道寬十米。城內建築頗多，南有三堂、北有二堂；’隔城之上有閶閭閣，南北都設觀象臺，下有蔭殿，東西二百五十尺，南北二百尺；西有映日臺，往南依次有百戲堂、儀鸞殿、五殿、德昌殿、飲羽殿。
明堂東側，明德門內有會昌門（隋名），又北有章善門，門內有門下省、弘文館等建築，恰好與明福門東西相對映；門東面為東啟之門——太和門；章善門北有南北向兩排建築，東面向北依次為文思殿、莊敬殿、飛香殿、襲芳院，到達安寧門；西面與莊敬殿並排向北依次為大儀殿、麗春臺、流杯殿、弘微殿，到達陶光園。
宮城東南隅為東宮，正門為重光門，東西各有小門，東為賓善，西為延義，宮中有馬坊。
武則天執政的十五年中，政治安定，經濟發展，市場繁榮，城市興旺，這也助長了武則天驕奢淫樂的享受思想。不但宮城中的建築極盡綺麗、豪華，其他離宮也雕飾華貴，富麗堂煌。其中較負盛名的有上陽宮、三陽宮、紫桂宮、奉天宮以及神都苑中的高山、宿羽、合璧宮。
上陽宮，位於皇城西南隅，神都苑之東。南臨洛水，西距谷水，東接皇城右掖門之南，北連神都苑，始建於高宗調露元年（679年）。當時高宗與武後東幸洛陽，巡察了新落成的高山、宿羽兩宮後，來到洛河之濱，頗覺有臨眺之美，即詔令司農卿韋機臨洛水更造宮殿，與高山、宿羽兩宮相映成趣，以便登高臨深，盡覽洛陽之美色。
韋機善於迎合皇帝之意，上陽宮很快落成，營造得壯麗非凡，其豪華富麗的氣派遠遠超出了高山、宿羽兩宮，因而大受高宗贊賞。武則天很快便遷入上陽宮處理政務。
上陽宮南臨洛水，沿洛水建有延亙壹裏的長廊，雕飾華麗，遠遠即可看見，為此，尚書左仆射劉仁軌對狄仁傑說：古代的波池臺榭都在深宮重城之內，而不讓外人看見它，恐怕傷了老百姓的心，韋機卻列岸修廊於堙堞之外，萬方朝謁之時無不覿之，這哪裏是致君於堯舜之意啊。侍禦史狄仁傑劾奏韋機，罪名便是引誘皇帝行奢侈之風，韋機因此被罷官。
上陽宮正門正殿都向東，以取與宮城連成壹體之意。東面有兩門：正門是提象門，北門是星躔門；南面兩門：東為仙洛門，西為通仙門；北面壹門是芬芳門；西面兩門，名已無從考證。
宮內正殿為觀風殿，殿韻為觀風門，東對提象門；門南墻角有浴日樓，臨洛水；北墻角有七寶閣；觀風殿內有麗春臺、耀掌亭、九洲亭等建築物。觀風殿為上陽宮中最綺麗的宮殿，高宗和武則天常在此聽政。神龍元年，玄武門兵變後，武則天被迫遷居此殿。中宗每十天率百官到觀風殿問候武則天的起居。由於大權喪失，眾叛親離，加上無心修飾，武則天很快變得羸弱憔悴，神龍元年（705年）11月，歿於觀風殿北的仙居院，終年八十二歲。武則天叱咤風雲幾十年，當皇帝十五年，但她最終不敢以皇帝的身份去見高宗，於是遺制：去帝號，稱則天大聖皇後。中國歷史上唯壹的壹位女皇帝就這樣淒涼地死在這雕飾華麗的上陽宮中。仙居院南有化城院，化城院西南有甘露殿，甘露殿東是雙曜亭，西是麟趾殿，麟趾殿前東為神如亭，酉為玄洞堂。觀風殿西是本枝院，又西是麗春院、芙蓉亭、宜男亭。
芬芳門內有芬芳殿；通仙門內有甘湯院，又東北為玉京門，門內北為金闕門，南為太初門；玉京門西有客省院、蔭殿、翰林院，西北為仙桃門，又西為壽昌門。
上陽宮西北有上清觀，內有女道士處所。
上陽宮西，隔谷水，有西上陽宮，虹橋跨谷，以通往來。
宮中除了綺麗奢華的建築之外，還有著優美的環境，宮內引谷、洛二水，清渠縈回，竹木森翠。沿洛水之濱的曲折長廊，可憑欄眺望。其環境之優美，宮殿之壯麗，可謂至矣。李庚《東都賦》贊道：“上陽別宮，丹粉多狀，鴛瓦鱗翠，虹橋疊北。橫延百堵，高量十丈，出地標圖，臨流障也。”唐人詩人王建在《上陽宮》壹詩裏，描繪了這樣壹幅勝景：
上陽花木不曾秋，洛水穿宮處處流；
畫閣紅樓宮女笑，玉簫金管路人愁；
幔城入澗橙花發，玉輦登山桂葉稠；
曾讀列仙王母傳，九天未勝此中遊。
這座雕甍繡閣、金碧輝煌的宮殿，為神都洛陽平增了幾分姿色。尤其是正月十五元宵節，這裏更是迷人的場所。唐朝洛陽被譽為花城，雖說多指“牡丹花”而言，但也有傳說是指“花燈”。當時燈節壹般三天，這三天，家家是燈，處處煙火，金吾不禁，玉漏莫催。宮庭裏更是大陳燈彩，用絲絹作燈，上掛金玉穗墜。壹次玄宗移駕上陽宮觀燈。匠人毛順心，結構絳樓三十余間，金翠珠玉，間廁其中，樓高壹百五十尺，微風吹動，鏘然成韻。有的燈作成龍風螭豹騰躑翻動的狀貌，玄宗見了大悅。唐詩人元稹作《燈影》詩：
洛陽晝夜無車馬，漫掛紅紗滿樹頭；
見說平時燈影異，玄宗潛伴太真遊。
然而就是這座凝聚著勞動人民智慧的建築，卻成了統治者宣泄荒淫無恥生活的場所，上陽宮裏，浸積了多少宮女的怨和淚。武則天位居此宮時，美女如雲，佳麗成群，至唐玄宗時，頻繁的東幸，使上陽宮成為嬪嬙妤婕們競寵的殿宇。自玄宗寵幸楊貴妃後，後宮人無復進幸，六宮中稍有美色，輒置別所，上陽宮也成為幽禁美人的冷宮。昔日高大威嚴的宮殿猶存，可是那千官扈從、群臣迎駕的盛大場面已不復再見，沒有喧赫的車馬，更沒有輕妙的歌舞，宮殿重門緊閉，畫棟雕梁也失去了燦爛的光澤。“綠衣監使守宮門，壹閉上陽多少春”，就是當時上陽宮遭到冷落的具體寫照，宮女們“玄宗末年初選人，入時十六今六十”，她們苦守空閣，失去自由和青春，“紅顏暗老白發新”，成了統治者的犧牲品。雍陶在《天津橋春望》中寫道：
津橋春水浸紅霜，煙柳風絲佛岸敘；
翠輦不來金殿閉，宮鶯銜出上陽花。
宮女們日復壹日、年復壹年地等待，企盼著君王駕幸東都，寵幸自己，然而，“玉輦西巡久未還，春光猶入上陽間；萬木長承新雪露，千門空對舊河山；深花寂寂宮城閉，細節青青柳樹間；獨見彩雲飛不盡，只應來去候龍顏”。上陽宮猶如壹座監獄，鎖住了宮女們的自由，上陽宮酷似壹座活墳墓，埋藏了數不清宮女們的青春和幸福。
金殿閉鎖，宮花寂寥，上陽宮自天寶以後，不復為帝王所重視，漸漸地為人們所淡忘。
除上陽宮之外，在洛陽附近還有許多行宮。有龍門山東萬安山上的萬安宮（也稱三陽宮、興泰宮）；澠池西的紫桂宮，嵩陽縣（現登封）嵩山腳下的奉天宮，邙山翠雲峰的避暑宮。