相对于庞大的地面建筑，茂陵的核心建筑地宫规模之宏大更是令人瞠目。据《汉旧仪》载：地宫占地一顷，深十三丈，墓室高一丈七，每边长二丈，墓室四面各设有能通过六匹马驾之车的墓道。各墓道门还埋设暗剑、伏驽等机关以防盗。这些机关的设置极其隐蔽，文献记载说：茂陵建成后不久，有个守陵的士兵想偷盗陵墓内的珍品，结果他连第一道墓门都没有过去，就被乱箭射死在墓门边上，可见整个陵墓机关设置的严密。
据说汉武帝的梓宫，是五棺二椁。五层棺木，置于墓室后部椁室正中的棺床上。墓室的后半部是一椁室，它有两层，内层以扁平立木叠成"门"形。南面是缺口，外层是黄肠题凑。五棺所用木料，是楸、梓和楠木，三种木料，质地坚细，均耐潮湿，防腐性强。梓宫的四周，设有四道羡门，并设有便房和黄肠题凑的建筑，便房的作用和目的是"藏中便坐也"。《汉书·霍光传》曰："便坐，谓非正寝，在于旁侧可以延宾者也。"简单地说，便房是模仿活人居住和宴飨之所，将其生前认为最珍贵的物品与死者一起殉葬于墓中，以便在幽冥中享用。
但目前考古界比较忧虑的是，茂陵内的丰富陪葬品还是否完好地保存在地宫中。茂陵曾多次被盗，据《后汉书》记载，当年农民起义军赤林军攻占长安后，焚烧了皇宫，又"发掘诸陵，取其宝物"，连吕雉的尸体都遭到奸污。
