孔廟的主要用途是祭祀孔子及先賢先儒，這也是孔子后裔的主要職責。孔廟祭祀從孔廟設立之日始起。漢以后，隨著孔子地位的逐步升高，祭祀的規格也就逐漸提高。南朝時期，宋文帝元嘉二十二年（公元445年），皇太子釋奠樂用登歌（裴松之議：釋奠用八佾奏登歌，此釋奠孔子用樂之始），北魏孝文帝延興二年（公元472年）春二月，定祭孔子廟之制，惟用酒脯，禁婦女雜合。北宋太祖建隆元年（公元960年），帝謁孔子廟，釋奠用永安之樂。宋真宗大中祥符三年（公元1010年）頒釋奠儀注及祭器圖，元武宗至大三年（公元1310年）冬十月，運登歌樂器于闕里孔子廟：元仁宗延佑五年（公元1318年）春正月，置孔子廟雅樂。六年，置闕里孔子廟司樂一員（從孔思晦之請也）。此后，曲阜孔廟祭祀便有了專門的司樂。后逐漸形成定制大成之樂。明以后，大成樂舞生一般在一百二十人左右，多時可達一百八十余人，主要樂器有：龠、箎、笛、塤、和笙、編鐘、編磬、弦琴、瑟等，配以鐘鼓。

孔廟祭祀分為釋奠儀、月朔釋菜儀、月望、行香儀、歲時常祭儀、告祭儀、祭中興祖儀、皇帝親祭大典、御遣官祭告儀等種類。據資料記載，歷史上有十二個皇帝十九次親自來曲阜祭祀孔子。另外還有一些御遣官員經常來祭孔。現在孔廟內保存了很多關于歷代帝王祭祀孔子的祭文碑刻。

1984年，曲阜市首次舉辦國際孔子誕辰故里游，1989年改為中國曲阜國際孔子文化節，每年于孔子誕辰日在孔廟舉行祭祀大典。