این مسجد یکی از زیباترین مساجد ایران و بدون شک در زمره بهترین آثار معماری اسلامی به شمار می‌رود. معماری خاص این بنا که در دوره قاجاریه ساخته شده است هم‌سازی کاملی با اقلیم Kashan دارد و طرح و نقشه بسیار جالب آن با فرم معماری گودال باغچه و تفکیک مسجد و مدرسه در طبقات مختلف، همراه با فضاسازی خلاقانه و ایجاد اختلاف ارتفاع در طبقات و نماهایی منظم و حساب شده و مرتفع و با شکوه، جلوه خاصی را ایجاد نموده که در مساجد دیگر کمتر نظیر آن را می‌بینیم. نکته قابل توجه دیگری که در ساختمان مسجد آقا بزرگ دیده می‌شود اصرار در بکار بردن آجر خالص و نشان دادن حجم و تناسبات اصلی بنا می‌باشد و این موضوع یک نوع خلوص و بی‌آلایشی خاصی را به نمایش می‌گذارد.
بنیان‌گذار این بنای عظیم حاج محمدتقی خانبان بوده که آن را جهت نماز جماعت و محل درس و بحث داماد خود حاج ملامهدی نراقی دوم ملقب به آقا بزرگ بنا نهاده است. مسجد دارای سر در زیبایی است که سقف آن مقرنس و نقاشی تزیین شده است و دیوارهای جلو خان ورودی مسجد از کتیبه بالای سردر تا کف تخت‌گاه‌های طرفین درگاه با کاشی‌های هفت رنگ پوشیده و زینت داده شده‌اند. در طرفین هشتی دو دالان مسقف عریض دسترسی به صحن و سرای مسجد و مدرسه را میسر می‌سازند.
صحن وسیع مسجد به صورت گودال باغچه و در دو طبقه ساخته شده است. طبقه تحتانی که هم‌تراز با حوض و باغچه است، اختصاص به مدرسه داشته و در سه طرف آن دوازده حجره با راهروهای جداگانه همراه با یک مدرس بزرگ‌تر مدرسه قرار داشته و بر روی آن و در ترازی حدود یک متر بالاتر از سطح حیاط گودال باغچه، یکی از سه شبستان مسجد با طاق چشمه‌های متعدد و زیبا احداث شده است. این شبستان ظاهرا چندین سال پیش از ساخت مسجد و مدرسه بنا شده و ترکیب فعلی مسجد در حقیقت حاصل گسترش آن است.
سطح حیاط طبقه همکف بنا تقریبا هم‌تراز معابر اطراف بوده و در چهار گوشه آن پلکان‌هایی برای دسترسی به طبقه پایین و حجرات مدرسه تعبیه شده است. حیاط در دو طرف طول شرقی و غربی دارای راهروهای وسیعی است که روی بام حجرات مدرسه بوده و بدنه‌های آن نیز در هر طرف با پنج صفه نما‌سازی شده‌اند. پشت بغل‌های صفه‌ها با آجر و کاشی تزیین شده است.
نمای اصلی مسجد در ضلع جنوبی حیاط قرار گرفته است. در این قسمت ایوان مرتفع با کاشی‌کاری‌های متنوع زیبا و دو گلدسته کاشی‌کاری شده در طرفین آن در جلو نما و مقصوره و گنبدخانه با گنبد دو پوسته آجری حجیم و مرتفع که بر روی هشت جرز قطور قرار گرفته و در عقب و یازده چشمه و رواق در اطراف آن استقرار دارند که مجموعه شبستان باز و تابستانی این بنای عظیم را تشکیل می‌دهند. این قسمت از بنا از سه طرف به هوای آزاد منتهی شده و شکوه و زیبایی خاص و حالتی منحصر به فرد به بنا بخشیده است. بنای اولیه گنبد خانه و شبستان تابستانی از چهار جانب باز بوده ولی بعد‌ها در سمت غربی آن شبستان وسیعی بنا شده که سابقا به وسیله سه درگاه بزرگ با پنجره چوبی مشبک و ارسی به محوطه گنبدخانه مرتبط بوده است. در پشت گنبدخانه حیاط برف انداز کوچکی قرار دارد که در قسمت تحتانی آن تاسیساتی چون حوضخانه، آبریزگاه، آب انبار و چاه آب ساخته شده‌اند.
در این مسجد کتیبه‌های فراوانی وجود دارند که برخی از آن عبارتند از:
کتیبه گچی محراب شبستان تابستانی به خط ثلث برجسته که سوره شمس و آخر آن نیز، اربع وستین و مایتان بعدالالف من‌الاهجره النبویه المصطفویه، گچ‌بری شده است. برکتیبه هلالی قسمت فوقانی طاق محراب نیز به خط ثلث برجسته سوره اعلی و در آخر کتیبه نام بانی مسجد رضوان مآب فخر‌الحاج محمد تقی مرحوم محمدحسن نراقی گچ‌بری شده و بر دو طاقچه بالای کتیبه نوشه شده است: عجلو بالصلوه قبل الفوت ۱۲۶۴ و قرینه آن : عجلوه بالصلوه قبل الموت ۱۲۶۴. در وسط کاشی‌های جانب قبله به خط ثلث سفید بر زمینه لاجوردی نوشته شده است: یا قاضی الحاجات فی سنه ۱۲۶۰.
کتیبه کاشی ایوان جلو گنبد که مشتمل بر سوره نبا است و به خط ثلث سفید بر زمنیه لاجوردی نوشته شده و در حاشیه‌های بالا و پایین این کتیبه نیز به خط سورمه‌ای بر زمینه زرد طلایی مرثیه هفت بند محتشم کاشانی آورده و در وسط آن هم نگاشته شده: عمل کاتب‌الحروف محمد حسن ۱۲۶۳.