1969年12月15日～1970年4月7日，天安门“秘密重建”工程历时112天。其中，搭建巨大“天棚”耗时8天，天安门全部拆除用了7天。全国21个省份的216个部门参与，施工人数高峰时达2700多人。
上世纪60年代初，技术人员在对天安门城楼的一次检修中发现，大殿正厅靠近毛主席座位的那根12米高的柱子，由下至上，柱心已经空了近10米。1966年，河北邢台地区发生的7。2级强烈地震，使天安门城楼结构的损坏变形程度更加严重，随时有垮塌的可能。
于是，有关人员立即上报中央。经过认真调查评估，国务院决定，拆除旧天安门城楼，在原址按原规模和原建筑形式重新修建，建筑材料全部更换新的。
1969年12月15日，天安门城楼重建工程开始。为了保密，中共中央和国务院组成了“天安门城楼重建领导小组”，抽调了一批“根正苗红”的人，按军队编制，组成了木工连、瓦工连、彩油连、架子工连和混合连5个施工连。据当时建工五公司的木工连组长姚来泉回忆：“那段时间连家人都不知道我在哪儿干活，上不告父母，下不告妻儿。每个工种各有各的证件，每道工序之间不准互相打听……”
天安门“秘密重建”，首先要将其全部“包起来”。天安门城楼长66米、宽37米、高33。7米，为了秘密施工，架子工们用数根杉篙绑在一起，层层连接，再用苇席搭起一个巨大“天棚”。仅用8天，天安门城楼就被围得严严实实。此后，是秘密拆除城楼。为了使重建后的天安门城楼“原样不动，尺寸不变”，保持城楼的建筑形制，在拆卸时，工人们小心翼翼地把拆下来的一砖一石、一瓦一木都按顺序编号放好、登记入册，拍下照片，内外、上下、左右，按原样码起来。7天时间，旧城楼被全部拆除。到1970年4月7日竣工，整个工程历时112天。参与重建的姚来泉现在还保存着当年的“重建纪念”镜框，里面嵌有毛泽东的烫金手书：“精心设计，精心施工，在建设过程中，一定会有不少错误、失败，随时注意改正。”
天安门城楼是木结构建筑，新做的全部木柱和木梁均用整体木材，所有木构件都做了防腐、防虫、防火的化学处理。
木工活完毕，开始油漆彩画，所有彩绘都经过严格的一麻五灰13道工序，最后贴上金箔。此次重建天安门城楼共使用黄金6公斤。43年过去了，城楼大殿彩绘依旧金碧辉煌。
重建天安门城楼时，对采用什么样的图案和彩画，有过激烈争论。一种意见认为，天安门城楼属于古建筑，只有用古代级别最高的“金龙和玺”彩画、大面积描金，才能与天安门的地位相符。另一种意见则认为：“金龙和玺”彩画和“仙人走兽”等都是“四旧”，属于封建内容，应当去除。新中国的天安门应具有革命意义，要用葵花向阳和延安宝塔等图案代替。在两种意见相持不下时，周总理采取了折中的办法：天安门彩画整体用朴素的“大丽花和玺”图案，勾头等小型琉璃瓦可用“向日葵”图案，其余一切照旧。
1984年国庆35周年前夕，中央决定恢复中断已久的国庆大阅兵。作为阅兵庆典主席台的天安门城楼，再次得以修缮。这次修缮恢复了原来的“金龙和玺”图案。但由于多方面的原因，天安门城楼上的“向日葵”琉璃瓦勾头保留至今。