آرامگاه فاطمه معصومه در میان بقعه با بلندی ۲۰/۱ و طول و عرض۹۵/۲ در ۲۰/۱ متر قرار گرفته و با کاشیهای نفیس و زرفام (آغاز قرن هفتم پوشیده شده‌است. گرداگرد مرقد منور، دیواری به بلندی دو متر و طول و عرض تقریبی (۸۰/۴، در , ۴۰/۴) قرار دارد که در سال ۹۵۰ بنا گردید و با کاشی معرق آراسته شد . که اکنون این دیوار با ضریح مشبک از جنس نقره پوشیده شده‌است.
سیر تاریخی مرقد فاطمه معصومه در طول دوره های مختلف دستخوش تغییراتی بوده است.
در سال ۶۰۵ هجری «امیر مظفر احمد بن اسماعیل» بزرگ خاندان آل مظفر، بزرگ‌ترین استاد کاشی ساز آن زمان «محمد بن ابی طاهر کاشی قمی» را به کار ساخت و پرداخت کاشیهای متنوع مرقد واداشت. او به مدت هشت سال به این کار مشغول بود تا سرانجام در سال ۶۱۳ کاشیهای مرقد آماده و کار گذاشته شد. و اخیراً در سال ۱۳۷۷ شمسی مرقد مطهر به شکل جدید که آمیخته‌ای از کاشی و سنگ است تجدید بنا شد و همچنین دیواره‌های داخلی با سنگ مرمر سبز آراسته گردید.
در سال ۹۶۵ هجری شاه طهماسب صفوی، در چهار طرف مرقد ضریحی آجری آراسته به کاشیهای هفت رنگ و کتیبه‌های معرق بنا نمود و در اطراف آن منافذی باز بود تا هم مرقد دیده شود و هم زائران نذورات خود را داخل ضریح بریزند.
در سال ۱۲۳۰ هجری قمری فتحعلی شاه همان ضریح را نقره پوش کرد که این ضریح به مرور زمان فرسوده شد و در سال ۱۲۸۰ ضریحی که از نقره ضریح سابق و نقره‌های موجود در خزانه ساخته شده بود به جای آن نصب گردید.
این ضریح چندین مرتبه تجدید بنا و اصلاح شد و سال‌های متمادی روی مرقد فاطمه معصومه باقی بود تا این که در سال ۱۳۶۸ هجری شمسی به دستور تولیت آن زمان شکل ضریح را تغییر دادند و ضریحی را با ظرایف و شاهکارهای هنری ویژه‌ای به جای آن نصب نمودند که آن ضریح همچنان برفراز قبر فاطمه معصومه برقرار است و در اسفند ماه ۱۳۸۰ شمسی اصلاحات و تعمیرات جدید صورت گرفت. تمام قسمت‌های نقره‌ای ضریح از نقره ۹۲ در صد با بهترین نوع از نقره ۱۰۰ در صد خالص خریداری شده از بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران و چوب‌های زیر آن اعم از ستون و پایه و … به دست استادکاران اصفهانی ساخته و قلم زنی شد و کارشناسان آستانه مقدسه (قسمت نقره‌ای) آن را تعویض کردند و ضریح سابق که فرسوده شد به خزانه حضرت تحویل داده شد .
اولین گنبدی که «پس از سایبان حصیری موسی بن خزرج» برفراز قبر فاطمه معصومه بنا شد، قبه‌ای برجی شکل بود که به همت زینب دختر امام جواد از مصالح آجر و سنگ و گچ در اواسط قرن سوم هجری ساخته شد.
به مرور زمان و پس از دفن بعضی از بانوان علوی در جوار فاطمه معصومه دو گنبد دیگر در کنار گنبد اول ساخته شد.
این سه گنبد تا سال ۴۴۷ هجری ی برقرار بودند تا این که در همان سال «میر ابوالفضل عراقی» (وزیر طغرل کبیر) به تشویق شیخ طوسی (ره) به جای آن سه گنبد، گنبد مرتفعی، آراسته به نقشهای رنگ آمیزی و تزیینات آجری و کاشی بدون ایوان و حجره بنا نهاد، که تمام قبور سادات وآن بانوان را فرا می‌گرفت.
در سال ۹۲۵ هجری قمری همین گنبد به همت «شاه بیگی بیگم» همسر شاه اسماعیل تجدیدبنا و سطح خارجی گنبد با کاشیهای معرق آراسته گردید. ضمناً ایوان رفیع با دو مناره در صحن عتیق ساخته شد.
نهایتاً در سال ۱۲۱۸ هجری همزمان با سلطنت فتحعلی شاه قاجار گنبد با خشت‌هایی طلایی تزیین شد که تا سال ۱۳۷۹ شمسی باقی ماند. درسال ۱۳۸۰ به علت تخریب ظاهر گنبد و جهت جلوگیری از وارد شدن صدمات دیگر به ساختمان گنبد به همت تولیت آستانه مقدسه، آیت‌الله مسعودی خمینی جهت بازسازی و تعمیرات اساسی گنبد حرم اقدام شد و لذا خشت‌های طلایی سابق جمع آوری گردید و پس از باز سازی و تعمیرات اساسی که با هزینه‌ای بالغ بر ۲۵ میلیارد ریال بر روی گنبد صورت گرفت، مراسم پرده برداری از گنبد جدید در تاریخ ۶/۲/۱۳۸۴ هجری شمسی بر گزار شد .