Lăng bắt đầu được xây dựng từ năm 1814 và đến năm 1820 mới hoàn tất.
Ngày 11 tháng 5 năm 1814 (nhằm ngày 22 tháng 3 Giáp Tuất, năm Gia Long thứ 13), vua cho dựng thọ lăng ở Thọ Sơn, làng Định Môn, để an táng chánh phi của mình là Thừa Thiên Cao hoàng hậu Tống Thị Lan vừa băng hà gần ba tháng trước đó.
Trước đó, vua Gia Long đã hai lần đến thị sát vùng đất này. Lần đầu là khi sửa chữa lăng các chúa Nguyễn và các hoàng hậu của chúa vào năm 1808. Lần thứ hai là khi tìm nơi xây lăng Thoại Thánh để an táng thân mẫu là Hiếu Khang hoàng hậu, cũng do nhà địa lý Lê Duy Thanh thực hiện, đích thân vua chọn huyệt mộ và theo dõi thi công, vào năm 1811.
Vua đã sai hai vị quan Tống Phước Lương (Đô sát ngự sử) và Phạm Như Đăng (thượng thư bộ Hình) lãnh chức sơn lăng sứ (cai quản lăng mộ vua và hoàng hậu), cùng nhà địa lý danh tiếng Lê Duy Thanh (con trai Lê Quý Đôn) đi xem các núi để tìm đất. Bảy lần bói, chỉ có núi Thọ Sơn là tốt. Vua đích thân đến xem thấy đất ấy là "vượng khí chung đúc", các núi quanh chầu về, đúng là "vạn niên cát địa" (đất tốt vạn năm). Vua liền sai hoàng tử thứ tư (sau này là vua Minh Mạng) bói lại lần nữa, được quẻ Dự. Quan thượng thư bộ Lễ Nguyễn Hữu Thận xem quẻ rồi nói: "Tốt lắm", bèn lấy quân dân để làm lăng. Một năm sau, tháng 3 năm 1815, hoàng hậu được an táng tại đây.
Theo Đại Nam thực lục, khi Thừa Thiên Cao hoàng hậu băng hà, vua đã bàn với các đại thần, muốn hợp lăng cả vua và hoàng hậu vào cùng một lăng. Đích thân vua đến tận nơi để chọn chỗ đặt huyền cung (huyệt mộ) cho hoàng hậu và cho mình về sau.
Đích thân vua Gia Long đã thám sát, duyệt định vị trí, quy hoạch và chỉ đạo công tác thiết kế cũng như giám sát tiến độ thi công trong suốt 6 năm. Theo Michel Đức Chaigneau, nhà vua đã suýt thiệt mạng trong một tai nạn ở công trường. Một trận gió làm sập ngôi nhà mà vua đang trú ngụ, vua Gia Long tuy đã ẩn trong một cái hố nhưng vẫn bị thương ở trán, mí mắt và bị dập chân do một thanh xà rơi trúng. Hai hoàng tử thứ bảy và thứ tám là Tấn và Phổ bị trọng thương, nhiều người khác bị chết. Gia Long không trừng phạt các quan lại thi công, ngược lại đã cấp thuốc men để chạy chữa cho họ, cấp phát 500 quan tiền và 500 tiêu chuẩn gạo cho dân làng Định Môn, gần nơi xây dựng lăng.
Theo L. Cadière, đơn vị thi công lăng vua Gia Long là đội Sanh Thiết với 300 người, và 274 người của đội lính thủy quân cùng dân làng Phù Bài. Họ được nhận 60 đồng tiền kẽm mỗi ngày. Lăng khởi công xây dựng vào ngày 11-5-1814 và hoàn tất cơ bản vào năm 1820 dưới thời Minh Mạng. Các đời vua về sau đều có sửa sang, tu bổ.
Đến cuối tháng 12 Kỷ Mão (tháng 2 năm 1820), vua Gia Long băng hà. Sách Khâm định Đại Nam hội điển sự lệ ghi chép đầy đủ về nghi thức tang lễ vua Gia Long. Theo đó thì vua Gia Long được an táng vào giờ Dậu (17h chiều), ngày 16 tháng 4 Canh Thìn (nhằm ngày 27 tháng 5 năm 1820).
Khu lăng mộ
Trước lăng mộ là 7 tầng sân chầu lát gạch, chính giữa là lối thần đạo lát đá Thanh dẫn lên Bửu thành. Ở tầng sân nền hai bên dựng tượng thị vệ, voi, ngựa (10 người, 2 voi, 2 ngựa), đều bằng đá Thanh.
Bửu phong (mộ) của vua và Thừa Thiên Cao hoàng hậu Tống Thị Lan đặt trong 3 lớp Bửu thành xây gạch, vòng trong 30m, rộng 24m, cao 4,16m; vòng ngoài rộng 31m, dài 70m, cao 3,56m, dày 1m. Bửu phong của vua Gia Long và hoàng hậu có dạng thạch thất, được song táng theo quan niệm "càn khôn hiệp đức" - một hình ảnh đẹp của hạnh phúc và thủy chung. Trước bửu phong có 2 hương án bằng đá. Mặt trước và sau lưng đều có bình phong, cửa ngoài bửu thành làm bằng đồng.
Khu tẩm điện
Khu tẩm điện nằm bên phải khu lăng, trên đồi Bạch Sơn, được bao bọc bởi tường thành hình chữ nhật (dài 102m, rộng 19m, cao 2,5m).
Nghi môn là cổng chính dẫn vào khu tẩm điện, chính giữa là điện Minh Thành, hai bên phía trước là hai nhà Đông Tây phối điện.
Điện Minh Thành có kiểu nhà kép 5 gian 2 chái, mặt nền 17,6m x 19,6m, bên trong thờ Long vị của vua Gia Long và Thừa Thiên cao Hoàng hậu. Bên trong điện Minh Thành, ngày trước có thờ nhiều kỷ vật gắn bó với cuộc đời chinh chiến của vua Gia Long như cân đai, mũ, yên ngựa.
Phía sau điện Minh thành, từng có Bảo Y khố, nơi đặt áo quần thờ tự bà Thừa thiên Cao hoàng hậu. Ngoài ra từng có hồi lang nối liền các các kiến trúc trong khu tẩm điện, và hệ thống bồn hoa, cây cảnh bao quanh rất đẹp, thơ mộng. Bảo Y khố bị triệt giải vào lần trùng tu năm 1922 (năm Khải Định thứ 7).
Khu Bi đình
Bên trái khu lăng là Bi đình (nhà bia), nằm trên ngọn đồi Thanh Sơn, là một "phương đình" dạng cổ lầu với hai tầng mái, nằm trên một nền cao. Mặt bằng của ngôi nhà rộng 8,75m x 8,80m. Bốn mặt xây tường gạch chịu lực. Mỗi mặt trổ một cửa ở giữa, để trống. Khu vực tầng sân xây bị đình rộng 30m, dài 42m, chung quanh có xây tường thấp bao bọc.
Bên trong bi đình có một tấm bia lớn ghi bài văn bia "Thánh đức thần công" của vua Minh Mạng nói về tiểu sử và công đức của vua cha. Bia cao 2,96m, rộng 1m, dày 0,32m, dựng trên một cái bệ cũng bằng đá dài 1,95m, rộng 1,55m. Bia và đế làm bằng đá Thanh được chạm khắc rất tinh xảo.
Gần đó là nơi thờ “Hậu Thổ Chi Thần”, một tấm bia nhỏ đặt trên bệ đá 2 cấp, cao hơn 1,2m.