این بنا در ابتدای خیابان اکباتان و نزدیک میدان امام خمینی همدان واقع گردیده و قدیمی ترین و معتبرترین مساجد همدان است .

بنای فعلی مسجد با توجه به مشخصات معماری و کتیبه‌های موجود، متعلق به ۱۲۵۳ هـ. ق و بعد از آن است؛ اما با مطالعه منابع تاریخی می توان گفت که بنای اولیه مسجد جامع همدان، متعلق به قرون اولیه اسلام است ؛ به طوری که مقدسی -مورخ قرن چهارم هجری- می نویسد :" آن شهر (همدان) سه ردیف بازار داشته که مسجد جامع در یکی از آنها بوده و ساختمانی کهن داشته است ." با این حال، در حال حاضر، هیچ اثری از دوره‌های ساختمانی مسجد- مربوط به قبل از دوره قاجار- مشهود نیست . بنای فعلی مسجد با شکل نامنظم هندسی دارای صحن مستطیل شکل در میان، ۳ ایوان در جهات جنوبی، شرقی و شمالی ، چندین شبستان، گنبد و گنبدخانه، ۶ مناره و چند حجره است .

بخشی‌هایی از این مسجد در قرن اخیر به بناهای دوره قاجاریه الحاق شده است . ورودی اصلی مسجد در گذشته درجانب غربی و به طرف بازار بوده؛ اما با ایجاد بناها و ورودی جدیدی در ضلع شمالی-جانب خیابان اکباتان - ورودی اصلی به این جهت منتقل شده و ساخت و سازهای جدید، جایگزین بخش‌های قدیمی مسجد گردیده است . سردر قدیمی مسجد از جانب بازار دارای مقرنس کاری گچی به رنگ آبی و در قدیمی آلت و لقط داری است .

از طریق این در می توان وارد هشتی و سپس قسمت‌های مختلف مسجد شد . هشتی مزبور با پوشش گنبدی دارای تزیینات ساده آجر لعابدار است و کتیبه ای کوچک و سنگی بر آن نصب شده که نام استاد حسین بر آن حک شده که گویا معمار این طاق بوده است.

ورودی دیگر مسجد از جهت بازار در جنوب شرقی واقع گردیده و از طریق دالانی است . سقف این دالان با سه طاق گنبد کوتاه پوشش یافته است . در گوشه راهروی در ورودی سردر غربی، سنگاب بزرگی از سنگ یکپارچه به قطر دهانه و ارتفاع یک متر قرار دارد که دارای تزیینات زیبای حجاری و کتیبه ذیل است : "خادم الدین جناب قدسمدار حاجی الواقف الحمد خان قبل الله زین خیر ۱۲۵۱" .

صحن مسجد به ابعاد ۲۴×۴۰ متر دارای حوض بزرگی در وسط، ایوان‌ها، حجره‌ها و شبستان‌هایی در اطراف است . سطح صحن حدود ۲ متر پایین تر از کوچه‌های مجاور واقع گردیده و با سنگ فرش شده است . ایوان جنوبی صحن به عرض ۱۴ و عمق ۷ متر دارای دو طاقنمای کم عمق در اضلاع، پوشش طاقی و مزین به رسمی بندی زیبایی است .

رسمی بندی‌های زیر طاق، با کاشی معقلی بر زمینه آجری اجرا شده است . این رسمی بندی‌ها که از تیزه طاق جناغی ایوان آغاز می شود، با قطاربندی‌های منظم و شبکه بندی منسجم، نیمه شمسه زیبایی را به نمایش می گذارد . دربخش مرکزی رسمی بندی‌های مزبور، ضمن درج نام‌های مقدس با کاشی معقلی فیروزه رنگ، سال ساخت ایوان "رجب ۱۲۵۳" نیز ثبت شده است .

لچکی‌های نمای ایوان نیز با کاشی‌های معقلی در زمینه آجری تزیین شده است برآن می توان تاریخ ۱۳۴۳ ه- . ق را تشخیص داد . بر بالای این ایوان ، دو مناره کوتاه و قطور در سال ۱۳۴۳ هـ. ق افزوده شده که دارای تزیینات معقلی است . کف ایوان سنگفرش شده است . پشت سر ایوان، فضای گنبددار مسجد به ابعاد ۱۴×۱۴ متر واقع است که به همراه ایوان، هسته اولیه و قدیمی مسجد را تشکیل می دهد .

کف و ازاره این شبستان بعدها با کاشی فیروزه رنگ پوشیده شده و در ضلع جنوبی آن، محرابی تعبیه شده است . طرح چهارگوش شبستان در بالا با گوشه سازی به کثیرالاضلاع تبدیل گردیده و پاکار مدور گنبد بر آن قرار گرفته است. گنبد بنا از نوع دوپوسته بوده و از نظر تناسبات معماری، بزرگی و کتبه سرتاسری پاکار آن، در خور توجه است .

بدنه گنبد دارای خیز نسبتا کشیده ای است و ارتفاع آن تا کف شبستان به ۱۴متر می رسد . در گذشته، در بدنه زیرین گنبد، روزنه‌هایی قرار داشته که بعدها مسدود شده است . گنبدخانه ازطریق درگاه‌های جانبی به شبستان‌های ستوندار راه پیدا می کند . در طرف غربی آن ، شبستان گنبددار مسجد با ستون‌های متناسب سبکی و پوشش طاق چشمه آجری قرار دارد که از طریق ورودی‌هایی به صحن و گنبدخانه راه پیدا می کند. شبستان مزبور دارای ۵ فرش انداز ( ناو) در جهت شمالی- جنوبی با ۳۲ ستون- چهار ردیف ۸ تایی- سنگی و ستون‌های آجری دیگری در اطراف است .

تناسب و هماهنگی میان ستون‌های سنگی و طاق‌ها در خور توجه است؛ به طوری که فضای وسیع و روشنی را به وجود آورده اند . فاصله ستون‌ها از همدیگر، ۴ و ارتفاع آنها ۵/۲متر است . در این ارتفاع، سرستون‌های مربع شکل قرار گرفته و بر بالای آنها، ستون‌ها توسط قوس‌های طاقی به همدیگر متصل شده و توسط چشمه طاق‌هایی پوشش یافته اند .

متأسفانه بخش‌های کناری شبستان دچار دخل و تصرفات نامعقولی شده است . درسمت غربی حیاط و مجاور شبستان فوق الذکر، شبستان ستونداردیگری با هشت ستون سنگی استوانه ای و یازده پایه آجری با پوشش چشمه طاق قرار دارد. این شبستان دارای محرابی با تزیینات مقرنس گچی است

رو به روی ایوان جنوبی و در سمت دیگر صحن، در دوره اخیر، ایوان و شبستان ستونداری به شیوه جدید با پوشش مسطح ساخته و بر بالای ایوان میانی آن، دو مناره تعبیه کرده اند . ایوان و مناره این بخش دارای تزیینات کاشیکاری است . نمای ایوان سردر جدید مسجد از خیابان اکباتان نیز دارای دو مناره و بخش‌های وابسته است . این بنا به شماره ۱۷۲۳/۲ به ثبت تاریخی رسیده است.