天一阁藏书楼是木结构建筑。创建后经过一百余年，至康熙初，范钦曾孙光文在阁前增构池亭。康熙二十五年，光燮归里后，见屋宇已经陈旧，便“葺天一阁诸屋，以安祖泽”。
乾隆四十年，弘历《文源阁记》说，天一阁“至于今二百一十余年，虽时修葺，而未曾改移”。仍然保持明代藏书楼的原貌。所以，我们只要考查这一时期的记载，就可以搞清楚天一阁书楼的形制。
弘历曾于乾隆三十九年六月派杭州织造寅著专程到天一阁作调查。不久，寅著奏称；“天一阁在范氏宅东，坐北向南，左右砖甃为垣，前后檐上下俱设窗门，其梁柱俱用松杉等木。共六间，西偏一间安设楼梯，东偏一间以近墙壁，恐受湿气，并不贮书。……阁前凿池……阁用六间，取‘地六成之’之义，是以高下深广及书橱数目尺寸俱含六数。”这便是藏书楼形制的最早记载。
同是乾隆年间纂修的《鄞县志》，卷首有木刻《天一阁图》，更形象地记录了书楼外部的面貌：屋顶为硬山式，阁前阶沿设有栏杆。
乾隆帝“数典天一之阁”，建造文渊、文源、文溯、文津、文宗、文汇、文澜七阁，以贮藏《四库全书》。但是，若以文渊阁为例，与天一阁比较，二者仍有很大差别。文渊阁也是一列六间，采用偶数，外观分上下两层。阁前浚池，引金水东绕。阁后叠石为山。在全体平面布局上它虽保持了天一阁的主要特征，但内部结构与天一阁有很大不同，它利用腰檐地位，增为上中下三层，因此体量比天一阁高大。同时在外观上，屋顶改硬山式为歇山式。这些改变，与藏书量比天一阁多有关，更要顾及宫廷建筑群的环境协调。现存的文津阁、文溯阁、文澜阁均与文渊阁大同而小异，一扫民间藏书楼的风貌。
现在，唯一可以和天一阁相印证的，只有宁波卢址的抱经楼。它建于乾隆四十二年，完全摹仿天一阁书楼形制，无论内部结构和外观，均与天一阁一模一样。今楼前池石已毁；书楼依旧，楼下中厅搁栅上所绘水波纹尚清晰可见。
随着岁月的流逝，至道光九年，天一阁已历经近三百年的风雨侵袭，此时，范氏后人竭尽全力，发起了一次大修。据周彦《范氏重修天一阁记》，当时范邦冉等“节省祀田之余，鸠工庀材。上自栋瓦，下至阶庭，左右墙垣，罔不焕然一新，阅八月而告成。明年，更复修砌岩石（假山），浚深池水，所费计千余缗”。同年八月，范氏禁牌中也说：“书阁建造，历有年所，虽时经修理，总恐日久难支。今春会同子姓，筹费鸠工，需用繁多，程工浩大，后人因修理之维艰，益思创建之非易，宜各恪遵勿替。”此次大修，亦未改变书楼的面貌，我们可从同治、光绪年间湖北祝永清绘制，一九三五年摹刻上石的《天一阁图》中知见一般。
此后，因财力所限，天一阁维修工程，往往借助外力来进行。咸丰十一年，天一阁书被窃，阁墙残破。至光绪十年，宁绍台道薛福成备兵浙东，政务余闲，加意于阁书，重编见存书目，并“以俸钱葺治其屋”。民国初年，天一阁藏书又大量被窃。十七年，林集虚编《目睹天一阁书录》，与范氏后人商定“开阁以十天为期”，其时“阁中正柱为虫蚀，欲修乏资，召工估计，需银百有余版，集虚欣然任之”。以此作为交换条件。
一九三三年九月，天一阁遭台风袭击，阁东墙圮，鄞县文献委员会发起集资修葺。此次落架大修，书籍临时迁藏范氏诒榖堂，前后历时三年，用银一万四千余元。拆除底层檐下木栏杆，增设上层檐下铁栏杆，改筑围墙，浚天一池，修前后假山。阁前右壁补筑一亭，嵌丰坊临兰亭刻石，因名“兰亭”。阁后移建尊经阁。故面貌有所改观。但书楼平面布局，梁柱结构及硬山式屋顶等基本建筑特征仍保持原状。
一九四九年以后，虽经多次维修，仍遵循“维护原状，保持现状”的原则。但近人不知其详，竟有据《西厢记》插图来寻踪问迹者。原来，是《文汇报》上《记天一阁》一文告诉读者：“数十年前，郑振铎同志也曾来过这里，当时他这样写道：屋顶作半穹形，大似明代版画中之图式，古趣盎然……是入王伯良校注《西厢记》之画中矣！”这篇文章被收入《新华文摘》，其中这段话又为《浙江图片新闻》上《重游天一阁》一文所转引，给了人们较深的印象。
考郑振铎的这段话，见于《录鬼簿》一书的跋文。文中记叙了他与赵斐云、马隅卿两先生南下访书的情景：“……此数日放诞高论，旁若无人，自以为乐甚。夜寓隅卿老宅东厢，屋顶作半穹形，大似明代版画中之图式，古趣盎然。予尝笑谓二君曰：‘是入王伯良校注《西厢记》之画中矣！’隅卿日奔走谋一登天一阁，而终格于范氏族规，不得遂所愿，盖范氏尝相约，非曝书日，即子孙也不得登阁也。”可知，这一次郑振铎并未登天一阁，所指半穹形屋顶的建筑是在“隅卿老宅东厢”。引文与原文一对照，张冠李戴的毛病便显而易见。
