Đoan Môn quay mặt về hướng nam vì đây là hướng quan trọng nhất trong các công trình kiến trúc cổ truyền xưa của người Việt. Được xây dựng từ thời Lê và tu bổ, sửa sang vào thời Nguyễn, Đoan Môn là một trong số ít những công trình kiến trúc không bị phá hủy khi Thành Hà Nội bị quân Pháp triệt phá vào cuối thế kỉ 19. Từ sau năm 1954, khi bộ đội ta tiếp quản giải phóng thủ đô thì khu vực Thành Hà Nội (bao gồm cả Đoan Môn) trở thành trụ sở của Bộ Quốc phòng.

Đoan Môn gồm 3 tầng lầu. Tầng dưới cùng được xây theo kiến trúc tường thành cổ với 5 cổng thành nằm cân xứng gần như tuyệt đối qua trục thần đạo - trục chính tâm - của Hoàng thành Thăng Long. Lối kiến trúc này không chỉ mang ý nghĩa “hội tụ” về triều đình, mà còn giúp đoàn quân hộ giá nhà vua triển khai đội ngũ chỉnh tề. Mỗi cổng thành đều được cuốn vòm bằng gạch vồ và đá tảng hết sức công phu. Các cánh cổng thành được dựng từ những phiến gỗ lim nguyên khối, chạy trên một hệ thống bánh xe lớn bằng gỗ có bịt thép xung quanh. Cổng chính giữa dành riêng cho nhà vua, phía trên gắn tấm biển đá ghi 2 chữ Hán “Đoan Môn”.

Tầng thứ 2 có hệ thống cửa trổ đều ra các hướng. Trên cửa chính giữa của tầng lầu thứ 2 có đắp nổi 3 chữ Hán “Ngũ Môn Lầu”. Mặt sàn của tầng lầu thứ 2 rất rộng rãi, là nơi nhà vua ngự giá để cổ vũ tinh thần binh sỹ trước khi xuất trận, đón tướng sỹ thắng trận trở về hay xem biểu diễn võ thuật, trò chơi dân gian ở phía dưới. Tầng lầu thứ 3 được dựng theo lối vọng lâu, nóc lầu gồm 2 tầng 8 mái, các góc mái được trang trí bằng hình tượng rồng cuốn.

Năm 1998, di tích Đoan Môn đã được Bộ Quốc phòng bàn giao cho UBND thành phố Hà Nội với tổng diện tích quản lý là 3.970m². Công trình được mở cửa đón khách tham quan từ tháng 10/ 2001.