Nhờ vào những kết quả khảo cổ, kết hợp với ghi chép sử liệu, đối chiếu với các đô thành Trung Hoa đương thời, đến nay, hiểu biết về một phần Hoàng thành Thăng Long thời Lý, đặc biệt là các kiến trúc nổi bật quan trọng đã khá rõ ràng. 

Những ghi chép, mô tả quan trọng nhất về Hoàng thành Thăng Long thời Lý nằm trong các bộ sử Đại Việt sử kí toàn thư (ĐVSKTT) và Đại Việt sử lược (ĐVSL). ĐVSKTT chép về việc xây cất thời Lý Thái Tổ ngay sau khi dời đô từ Hoa Lư về Đại La như sau:
Lối xây dựng các cung điện trong kinh thành Thăng Long, phía trước dựng điện Càn Nguyên làm chỗ coi chầu, bên tả làm điện Tập Hiền, bên hữu dựng điện Giảng Vũ. Lại mở cửa Phi Long thông với cung Nghinh Xuân, cửa Đan Phượng thông với cửa Uy Viễn, hướng chính nam dựng điện Cao Minh, thềm gọi là thềm rồng, trong thềm rồng có hành lang dẫn ra xung quanh bốn phía. Sau điện Càn Nguyên dựng hai điện Long An, Long Thụy làm nơi vua nghỉ. Bên tả xây điện Nhật Quang, bên hữu xây điện Nguyệt Minh, phía sau dựng hai cung Thúy Hoa, Long Thụy làm chỗ ở cho cung nữ. Dựng kho tàng, đắp thành, đào hào. Bốn mặt thành mở bốn cửa: phía đông gọi là cửa Tường Phù, phía tây gọi là cửa Quảng Phúc, phía nam gọi là cửa Đại Hưng, phía bắc gọi là cửa Diệu Đức. Lại ở trong thành làm Hưng Thiên Ngự Tự và Ngũ Phượng Tinh Lâu. Ngoài thành về phía nam dựng chùa Thắng Nghiêm.
Kinh thành Thăng Long xây dựng theo mô hình tam trùng thành quách: vòng ngoài là La thành, kế đến là Hoàng thành, giữa hai lớp thành này là nơi sinh sống của cư dân, trong cùng là Cấm thành là nơi ở của nhà vua. Theo mô tả, hoàng thành có bốn cửa: Đại Hưng, Tường Phù, Quảng Phúc và Diệu Đức. 
Chính điện thị triều của hoàng thành Thăng Long xây dựng vào năm 1010 là điện Càn Nguyên (ĐVSL chép là Triều Nguyên). Phần tiền điện làm theo lối tam điện, giống như ở kinh đô Hoa Lư, và đều học theo mô hình kinh đô Khai Phong của nhà Tống đương thời, với điện Càn Nguyên ở giữa, hai bên trái phải là điện Tập Hiền và Giảng Vũ phụ trợ cho điện Càn Nguyên. Phía trước chính điện là thềm rồng, dịch từ "long trì", tức là khoảng sân đại triều, xung quanh có hành lang bao bọc. Hướng chính nam dựng điện Cao Minh (ĐVSL chép là Cao điện), căn cứ vào tên gọi "Cao Minh" và so sánh với tên gọi-chức năng các kiến trúc trong mô hình kinh đô Lạc Dương thời Đường-Hậu Lương và Khai Phong thời Tống, các nhà khoa học đoán định điện Cao Minh là một dạng kiến trúc điện môn, tức là vừa là điện, vừa là cửa, ngăn cách cửa chính nam của cung thành với chính điện. Điện Cao Minh kết nối với hành lang hai bên, qua điện là bước vào long trì. Với phương pháp nghiên cứu tương tự, các nhà khoa học cũng cho rằng Ngũ Phượng Tinh Lâu là cửa chính nam của cung thành, nằm về phía nam của điện Cao Minh, và có khả năng được xây dựng theo lối khuyết đài (hình chữ 凹), như Đoan Môn thời Lê trung hưng và Ngọ Môn ở Huế (mà phần môn lâu cũng có tên tương tự là Ngũ Phụng lâu).
Sau phần chính điện là phần tẩm điện của nhà vua, tức nơi vua sinh hoạt, đó là điện Long An và Long Thụy. Điện Long An chính là nơi mà Lý Thái Tổ băng hà vào năm 1028. Còn về điện Long Thụy, ĐVSKTT nhắc đến hai lần, một là điện Long Thụy của hoàng đế, hai là cung Long Thụy của cung nữ. Dễ thấy không thể có chuyện hai cung trùng tên, càng không thể cung của cung nữ lại trùng tên với điện của hoàng đế, ĐVSL cũng không nhắc đến cung Long Thụy với tư cách là cung của cung nữ, mà chỉ nhắc đến cung Thúy Hoa. Do vậy, ở đây có lẽ ĐVSKTT chép lầm.
Trục trung tâm thành Thăng Long năm 1010
Năm 1017, điện Càn Nguyên bị sét đánh hư hại, hoàng đế phải coi chầu ở điện phía đông, tức điện Tập Hiền. Năm 1020, điện Tập Hiền lại bị sét đánh, hoàng đế phải coi chầu ở điện phía tây, tức điện Giảng Vũ. Sau đó dường như điện Càn Nguyên đã được trùng tu, vì trong loạn Tam vương vẫn thấy những ghi chép về nó. Sau loạn Tam vương, điện Càn Nguyên vì lý do khuất tất nào đó mà đã bị san phẳng. Đến tháng 6 năm 1029, nhân sự kiện rồng thần xuất hiện trên nền điện cũ, Thái Tông cho xây dựng lại và mở mang thêm. ĐVSKTT chép:
Tháng 6, rồng hiện lên ở nền điện Càn Nguyên. Vua nói với tả hữu rằng: "Trẫm phá điện ấy, sang phẳng nền rồi mà rồng thần còn hiện. Có lẽ đó là đất tốt, đức lớn hưng thịnh, ở chỗ chính giữa trời đất chăng?" Bèn sai Hữu ty mở rộng quy mô, nhắm lại phương hướng mà làm lại, đổi tên là điện Thiên An. Bên tả dựng điện Tuyên Đức, bên hữu dựng điện Diên Phúc, thềm trước gọi là long trì (thềm rồng). Phía đông thềm rồng đặt điện Văn Minh, phía tây đặt điện Quảng Vũ, hai bên tả hữu thềm rồng đặt lầu chuông đối nhau để dân chúng ai có việc kiện tụng oan uổng thì đánh chuông lên. Bốn xung quanh thềm rồng đều có hành lang để tụ họp các quan và sáu quân túc vệ. Phía trước làm điện Phụng Thiên, trên điện dựng lầu Chính Dương làm nơi coi tính toán giờ khắc, phía sau làm điện Trường Xuân, trên điện dựng gác Long Đồ làm nơi nghỉ ngơi du ngoạn. Bên ngoài đắp một lần thành bao quanh gọi là Long thành.

Cấm thành Thăng Long theo quy hoạch năm 1029 (Tranh: Hiệu Sicula) 1. Ngũ Phượng Tinh Lâu; 2. Điện Phụng Thiên-Lầu Chính Dương; 3. Điện Thiên An; 4. Điện Tuyên Đức; 5. Điện Diên Phúc; 6. Điện Văn Minh; 7. Điện Quảng Vũ; 8. Lầu chuông; 9. Điện Thiên Khánh; 10. Điện Trường Xuân
Ta thấy trong lần xây dựng lớn này vẫn giữ mô hình thời Thái Tổ, nhưng mở mang rộng lớn hơn, và tên các kiến trúc đều được thay đổi. Chính điện được đổi tên là Thiên An, đến hết thời Trần vẫn giữ tên gọi này. Điện Cao Minh được thay thế bởi điện Phụng Thiên, được xây dựng theo kiểu môn-các, dưới là cửa, trên là gác đặt cơ quan trông coi giờ khắc.
Tháng 2 năm 1030, Thái Tông cho làm điện Thiên Khánh ở trước điện Trường Xuân để làm chỗ nghe chính sự (thính chính), điện làm theo kiểu bát giác, đi kèm với kiến trúc lầu Phượng Hoàng ở phía sau (ĐVSL) hoặc cầu Phượng Hoàng ở cả hai phía trước sau (ĐVSKTT). Điện có vai trò là nơi vận hành chính sự ngày thường, xây dựng trước tẩm điện của nhà vua.

Các nhà khảo cổ đã khai quật được nền móng của một kiến trúc bát giác ở Khu khảo cổ 18 Hoàng Diệu, vị trí của nó ở sát phía đông của nhà Quốc hội, khả năng rất lớn là điện Thiên Khánh. Đồng thời cũng khai quật được một phần của hai kiến trúc nằm kề nhau, nằm ở vị trí đường Bắc Sơn phía trước Đài tưởng niệm liệt sĩ quốc gia. Căn cứ vị trí của nó so với kiến trúc bát giác và một kiến trúc độc đáo nhiều khả năng là kiến trúc đèn Quảng chiếu, các nhà khoa học bằng phương pháp vẽ đối xứng, có thể khẳng định đây chính là kiến trúc tam điện Diên Phúc-Thiên An-Tuyên Đức. Đây là những phát hiện đột phá, xác định được vị trí trung tâm của Cấm thành thời Lý (có lẽ cả thời Trần), trục thần đạo thời Lý-Trần nằm ở vị trí khu nhà Quốc hội, khác hẳn với suy đoán trước cho rằng trục thần đạo không thay đổi qua các triều đại ở vị trí Đoan Môn-Điện Kính Thiên thời Lê.
Điện Thiên Khánh bát giác với lầu Phượng Hoàng (Phóng tác: Hiệu Sicula)
Về điện Trường Xuân, là chính tẩm điện của hoàng đế, sử chép vị trí của nó ở phía sau điện Thiên Khánh. Ở đây, ta chú ý một chi tiết là trên điện Trường Xuân dựng "Long Đồ các", tức đây là một công trình nhiều tầng. Trong Quế hải ngu hành chí  của Phạm Thành Đại (1126 - 1193) soạn vào thế kỷ 12 miêu tả qua lời kể Cấm thành nhà Lý như sau:
Tù trưởng [tức hoàng đế nhà Lý ] ở trong lầu 4 tầng, tự mình ở tầng trên cùng. Tầng thứ hai [từ trên xuống ] khi trị thiên hạ (?), [hoàng đế] ở đây. Có bọn hoạn quan. Tầng thứ ba là mỗi lần bàn việc (?), [hoàng đế] ở đây. Có bọn liêu thuộc lớn tuổi (?). Tầng thứ tư để quân sĩ ở. Lại có Thủy Tinh cung, Thiên Nguyên điện, đều tự tiện lấy danh tự [tên cung điện Trung Quốc ] để đặt. Ngoài ra còn có một tòa lầu, bên cạnh có bảng đề tên “An Nam Đô hộ phủ”. Nhà cửa đều sơn son, cột vẽ hình long, hạc, tiên nữ
Căn cứ vào ghi chép này, hoàng đế nhà Lý ở trong tẩm điện 4 tầng. Tại khu A của khu khảo cổ 18 Hoàng Diệu, các nhà khảo cổ đã phát hiện dấu tích của một kiến trúc khổng lồ có thể nói là lớn nhất từ trước đến nay từng phát hiện. Trụ móng sỏi của các chân tảng cột có kích thước lớn lên tới 1,9m*1,9m và có móng trụ lên tới hơn 2m cho thấy một hệ thống cột gỗ có đường kính lớn. Công trình này được xác định có ít nhất 11 gian với bộ vì gồm 6 cột chính và 2 cột hiên, khoảng cách giữa mỗi cột chính là hơn 6m và lớn nhất là 6.9m.
Mặt bằng ngôi điện có diện tích khoảng trên 2280m vuông với chiều sâu khoảng 38m và chiều dài 60m. Ngôi điện này được nhận định là một dạng lầu các nhiều tầng.
Để cho dễ hình dung về độ lớn của công trình này. Chúng ta có thể so sánh với các công trình còn tồn tại. Bước cột tức là khoảng cách của 2 cột trong 1 bộ vì của công trình này đạt 6.9m trong khi đó, ở các công trình cổ còn tồn tại ở Việt Nam, khoảng cách này lớn nhất là 6m ở bước cột cái thượng điện chùa Thầy. Diện tích mặt bằng của công trình lên tới gần 2300m vuông, lớn gần gấp đôi điện Thái Hòa ở Hoàng thành Huế trong khi chỉ dùng các bộ vì đơn với 6 cột chính và 2 cột hiên. Còn điện Thái Hòa để đạt được mặt bằng lớn đó phải dùng các bộ vì kép bằng cách ghép 2 bộ vì nhỏ như 2 tòa nhà riêng với 8 cột chính và 2 cột hiên. 2300m vuông cũng chính là diện tích mặt bằng của điện Thái Hòa ở Tử Cấm Thành Bắc Kinh, ngôi điện quan trọng nhất của Trung Quốc, một trong những kiến trúc gỗ lớn nhất thế giới với chiều cao 36m. 
Dựa vào những ghi chép, nhiều khả năng kiến trúc này chính là điện Trường Xuân, vị trí của nó nằm ở phía đông bắc của kiến trúc bát giác (Thiên Khánh)
Điện Trường Xuân-Long Đồ các (Phóng tác: Hiệu Sicula)
CỔNG THÔNG TIN ĐIỆN TỬ TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU KINH THÀNH
Ngay từ khi khai quật vào năm 2003, từng lớp đất đều khiến các nhà khoa học kinh ngạc về kĩ thuật xây dựng, quy hoạch cung điện của ông cha, nhất là thời Lý, thời đại đặc sắc thịnh vượng. Do ở tầng văn hóa sớm hơn, thời Lý may mắn giữ được số lượng hiện vật, nền móng lớn và rõ ràng hơn các thời đại khác vì nằm ở dưới, với những tòa ngang dãy dọc, những bức tường bao, cống nước, sân gạch... Những kiến trúc độc đáo như kiến trúc đèn Quảng chiếu, hay dãy các kiến trúc lục giác "độc trụ liên hoa"
Cuối thời Lý, năm 1203, Cao Tông đã cho xây dựng cung điện mới về phía tây tẩm điện, có lẽ vị trí ở khu vực quảng trường Ba Đình hiện nay, với quy mô lớn và đẹp đẽ chưa từng có. ĐVSL chép:
Tháng giêng, xây cất cung mới ở phía tây tẩm điện. Ở giữa dựng điện Thiên Thụy, bên tả dựng điện Thiên Minh. bên hữu dựng điện Thiềm Quang. Phía trước là điện An Chánh Nghi, ở trên lại dựng điện Kính Thiên. Bậc thềm (điện) gọi là Lệ Diêu. Nơi giữa mở cửa Vĩnh Nghiêm. Bên hữu mở cửa Việt Thành. Bậc thềm (cửa) gọi là Ngân Hồng. Đằng sau xây điện Thắng Thọ, (trên điện Thắng Thọ) dựng cái gác Thánh Thọ. Bên tả dựng gác Nhật Kim, bên hữu dựng gác Nguyệt Bảo. Chung quanh là mái hiên. Bậc thềm nhà ở giữa gọi là Kim Tinh. Bên hữu gác Nguyệt Bảo dựng gác Lương Trạch. Phía tây dựng nhà tắm. Đằng sau làm gác Phú Quốc. Bậc thềm gọi là Phượng Tiêu. Phía sau dựng cửa Thẩu Viên. Đào hồ nuôi cá, trên hồ dựng đình Ngoạn Y. Đình ba mặt là cây cối, có những thứ hoa lạ, những loại cây khác thường. Nước hồ thông ra sông. Hồ được chạm trổ sửa sang rất công phu. Cái công việc kiến trúc đẹp đẽ này buổi xưa chưa có.
Về khu cung điện mới này, do đến nay chưa được khai quật nên những hiểu biết về nó chỉ nằm trên sử liệu. Tuy nhiên ta có thể nhận biết khu cung điện mới như một cung điện thứ hai với đầy đủ khu vực tiền triều hậu tẩm. Khác biệt của nó là chú trọng vào phong cảnh, tạo tác đẹp đẽ, với hồ nước, kì hoa dị mộc, những kiến trúc phục vụ cho việc thưởng ngoạn như lầu, gác, đình, ...thiên về chức năng sống hơn là làm việc, giống như Viên Minh Viên nhà Thanh hay Xương Đức Cung của nhà Triều Tiên.
Lịch sử Việt Nam