مسجد جامع بروجرد در اصل بر روی یک آتشکده بنا نهاده شده است. مسلمانان در بسیاری از شهرهای ایران ناگزیر از ساختمان های پابرجا (یا نیمه ویرانی که بازسازی شده) برای نماز و نیایش پروردگار یکتا بهره گرفتند. مسجد جامع بروجرد آتشگاهی نیمه ویران بوده که به مسجد تبدیل شده. بین سال‌های ۱۵۰ تا ۲۲۶ قمری که و در زمان حکومت ابودلف بر غربایران، بنای مسجد جامع بروجرد با حضور وزیر وی با نام حمویه یا حموله آغاز شد. شبستان شمالی مسجد نیز اندکی دیرتر و در قرن چهارم ساخته شد. با توجه به تاریخ طولانی (دوازده قرن) این مسجد، آسیب‌های متعددی بر آن وارد شده و بارها مورد بازسازی قرار گرفته است. شواهد و کتیبه‌های گوناگون، از بازسازی مسجد در دوره‌های سلجوقی، صفوی و قاجار خبر می‌دهند. محوطه سازی مسجد در قرون چهار و پنج هجری و نیز الحاقات و تعمیرات آن بر طبق کتیبه‌های موجود، در سال‌های ۱۰۲۲، ۱۰۶۹، ۱۰۹۲ و ۱۲۰۹ قمری صورت گرفته است.
معماری مسجد جامع بروجرد بسیار منحصر بفرد و یکی از شاهکارهای تاریخی معماری ایران می‌باشد که هم ویژگی های معماری اسلامی و هم معماری باستانی ایران(ساسانیان) را در خود جای داده است. بخش قدیمی تر بنا، گنبدخانه آن است که در ضلع جنوبی قرار گرفته است و به اعتقاد مردم محلی و نیز بر اساس شواهد معماری، پیش از تبدیل این بنا به مسجد، آتشکده‌ای بزرگ بوده است. معماری این بخش، مشابه چارطاق های دوران ساسانی است. مسجد دارای دو درب غربی و شرقی است که به صورت غیر مستقیم به صحن اصلی باز می‌شوند. در جنوب صحن، گنبد و ایوان اصلی مسجد که قدیمی ترین بخش آن است قرار دارد و در ضلع شمالی نیز شبستان مسجد با ارتفاعی کمتر از سایر بخش‌ها قرار گرفته که در تابستانها فضای خنکی را ایجاد می‌کند. ایوان جنوبی دارای دو گلدسته است که بعدها به مجموعه افزوده شده است.
بنای اولیه این مسجد به صورت مجموعه‌ای شامل مسجد، حمام، آب انبار، ساختمان غـریب خانه، میدان و سایر متعلقات بوده که امروزه بعضی از این آثار از بین رفته است. بنای مسجد جامع از نظر شکل از نوع مساجد تک ایوانی اسـت کـه دارای دو در ورودی در قسمتهای شرقی و غربی است. بنا شامل یک حیاط مرکزی، ایوان، فضای گنبدخانه و شبستانهای اطراف آن و یک شبستان وسیع زمستانی در طرف شمال حیاط مرکزی است. بنابر شواهد موجود، صفویان، زندیان و قاجار تعمیرات بنیادی در مسجد انجام داده‌اند و بخش‌هایی به آن افزوده.اند
یکی از دیدنی‌های اصلی این مسجد منبر چوبی نه پله آن است و حکاکی روی آن، تاریخ هزار و شصت و هشت هجری قمری را نشان می‌دهد. سازنده آن، یارمحمد نجار بوده است. در بین اهالی بروجرد شایع است که حسن مجتبی دومین امام شیعیان سفری به بروجرد داشته و بر بالای این منبر سخنرانی کرده است که با توجه به تاریخ ساخت منبر و نبودن اطلاعات کافی، امری نادرست می‌نماید.
مسجد جامع بروجرد در جریان بمباران هواپیماهای عراقی در خلال جنگ ایران و عراق خسارات شدیدی دید و بخش‌هایی از شبستان شمالی آن ویران شد. همچنین زمین لرزه‌های متعدد و بارندگی‌های شدید، آسیب‌های جدی بر آن وارد آورده است. آخرین بار در اثر زمین لرزه سال ۱۳۸۵ موجب فرو ریختن گلدسته‌ها و آسیب دیدن پنجاه درصدی مسجد شد.