Sau khi lên ngôi vua, năm 1237 vua Trần Thái Tông (tức Trần Cảnh) đã ban cho anh trai mình là Trần Liễu vùng đất Yên Sinh, Yên Phụ, Yên Dưỡng, Yên Bang và Yên Hưng làm đất thang mộc và phong cho Trần Liễu là An Sinh vương. Tại vùng đất An Sinh, An Sinh vương Trần Liễu đã cho xây dựng Điện An Sinh (nay là Đền An Sinh) và nhiều công trình phủ đệ; đồng thời xây dựng Tiên Miếu (tức Thái miếu) để thờ cúng tổ tiên và cha của mình là Thái Tổ Trần Thừa.

Sau khi An Sinh vương Trần Liễu qua đời, nhà Trần tiếp tục sử dụng và mở rộng Tiên miếu trở thành Thái miếu của hoàng gia. Tức là nếu trước đó Tiên Miếu/Tổ Miếu chỉ là nơi thờ phụng tổ tiên của nhà Trần và Thái Tổ Trần Thừa thì khi trở thành Thái miếu của hoàng gia, quy mô Thái miếu được mở rộng hơn, các vị vua Trần sau khi mất đều được thờ tự tại đây.

Trải qua thời gian và những thăng trầm của lịch sử, Thái Miếu xưa chỉ còn lại dấu vết các công trình kiến trúc và các di vật dưới lòng đất. Để tiếp tục bảo tồn và phát huy giá trị lịch sử văn hoá truyền thống, phát huy giá trị của di sản văn hoá nhà Trần tại Đông Triều, thị xã Đông Triều đã tích cực phối hợp với các sở, ngành của tỉnh và Trường Đại học Khoa học, xã hội và nhân văn tiến hành, khai quật khảo cổ học, tổ chức hội thảo khoa học đánh giá về vai trò, công năng của di tích và lập hồ sơ báo cáo các cấp, các ngành chức năng để tiến hành trùng tu, tôn tạo di tích Thái Miếu.

Năm 2014 được sự quan tâm của các cấp, các ngành, chính quyền địa phương và nhân dân đã tổ chức tu bổ, tôn tạo Thái Miếu trên diện tích hơn 16.000m2, từ nguồn vốn xã hội hóa. Sau hơn 3 năm thi công, Thái Miếu chính thức được khánh thành vào ngày 4/2/2018.