玉虚宫全称“玄天玉虚宫”，道教指玉虚为玉帝的居处。这里是武当山建筑群中最大的宫殿之一，距玄岳门西约4公里，襄渝铁路顺着宫前横贯而过。玉虚宫始建于明永乐年间，规制谨严，院落重重。现存建筑及遗址主要有两道长1036米的宫墙、两座碑亭、里乐城的五座殿基和清代重建的父母殿、云堂以及东天门、西天门、北天门遗址。明永乐年间大建武当山时，这里为大本营，故俗称“老营宫”。
明朝时，玉虚宫常有军队扎营，嘉靖三十一年（1552）年重修。原为五进三路院落，有龙虎殿、启圣殿、元君殿、小观殿及一系列堂、祠、庙、坛、亮等2200余间。前后崇台迭砌，左右院落重重，楼台毗连，其间玉带河萦回穿插。四周朱墙高耸，环卫玄宫。其规制之宏伟，与北京太和门太和殿的气派相似，明朝著名文学家王世贞为此不禁发出“玉虚仿佛秦阿房”的赞叹，由此可见玉虚宫当年何等气派。
清乾隆十年（1745年），大部分建筑被毁。现存建筑仅剩有浑厚凝重的宫墙和宫门。宫墙壮如月阑绕仙阙，宫门为精雕琼花须弥石座，券拱三孔，两翼八字墙镶嵌琉璃琼花图案。门前是饰栏台阶，朱碧交辉，壮美富丽。进宫门，是占地40多亩的大院落，青砖铺地，开阔素雅；穿过玉带河，是二宫门，层层高台拱举龙虎殿、朝拜殿、正殿、父母殿等遗址；宫墙东为东宫，亦名东道院，有砖室、浴堂、神厨、龙井等遗址；宫墙西为西宫，有望仙台、水帘洞、御花园、无染殿等遗址。
宫门内外有四座碑亭，巍然对峙。亭内各置巨大的贔屃（传说为龙王的六子）驮御碑。宫门内的两座碑亭中的石碑高6米，宽2.35米，厚0.76米。通高9.03米，它们的重量各达100多吨。这两座碑刻，一是永乐十一年（1413年）为保护武当山道教的一道“圣旨”；一是永乐十六年（1418年）大岳太和山和山道宫碑邙。宫门外的两座碑亭，一座刻的是嘉靖三十一年（1552年）重修太和山宫殿纪成碑。四座碑文书体隽永圆润，碑额浮雕蟠龙，矫健腾舞，造型稳重虬劲。甲壳、肌肉部分有明显不同的质感，腿脚有运动负重之神态，尾卷一盘，呈使力承受高大的御碑之状，是海内外罕见的石雕艺术品，极为珍贵。
在永乐十六年刻的碑文中，永乐皇帝引用道教经典叙述了“真武大帝”和武当山的关系，宣称他父亲朱元璋和他取得天下，都曾得到真武神的阴助默佑，因此在武当山建造宫观，表彰神功，报答神恩。嘉靖三十二年的碑文，则追述嘉靖皇帝的祖宗永乐皇帝大建武当山的功绩。碑文中写道：“二百年来，民安国阜，媲属隆三王，虽或一二气数不齐，边疆小惊，旋而殄灭。至如庚戊，内生大奸，旋用褫殛。”认为是神保佑。于是不惜耗费亿元资财，重修武当。
明永乐年间，国家“北建故宫，南修武当”，在武当山建造了规模宏大的皇家庙观，而玉虚宫则是整个建筑群中最大的庙宇。当年的玉虚宫是城内套城，共有三城，即外乐城，里乐城和紫金城。三城都各有宫墙间隔连围，形成等级鲜明，规模宏大的宫城。
玉虚宫大殿修复工程于2007年5月启动，经过5年的保护性修复，玉虚宫宫墙、御碑亭、山门、龙虎殿、玉虚殿、玉带河、宫内石板地面等工程已经完工。该修复项目完全按照修旧如旧的办法，严格遵循文物维修的方式和原则，由清华大学古建筑研究院设计。
2012年9月底，武当山玉虚宫大殿修复落成典礼在玉虚宫隆重举行，2012年10月16日，武当山大兴六百年罗天大醮在这里举行。