این مسجد بزرگ ترین مسجد آسیای میانه و بـه صـورت چهـار ایـوانی در محوطه ای مستطیلی شکل به ابعاد ۱۶۷ * ۱۰۹ متر بنا گردیده است. تیمور در سال ۷۷۸ شمسی با غنایم فراوان که مورخان می گویند ۹۰ فیل آنها را حمل می کردند وارد سمرقند شد و به یاد همسر خود بی بی خاتون دستور ساخت مسجد را داد. در این مسجد برخی اصول معماری تیموری زیر پا گذاشته شده است منجمله ارتفاع خارج از استاندارد مسجد بی بی خاتون.
از طرفی تیمور از معماران خواست که در نهایتا ۵ سال کل مسجد ساخته شود. اصل مسجد در ۵ سال ساخته شد، بنا بر کتیبـه هـای روی ایوان مقصوره و سردر ورودی، پایان کار ساختمان مسجد به همراه الحاقات کامل در ۷۸۳ شمسی بوده است. این سرعت بخشیدن به ساخت مسجد باعث شد بنا استحکام کافی را نداشته باشد. و در زلزله ۱۲۷ سال قبل بخش قابل توجهی از بنا فروریخت.
در قسمت شرقی حیاط ورودی اصلی مسجد قرار دارد. گنبد های کوچک جانبی در بالای چند ردیف مقرنس روی گریوهای گنبد استوانه ای از کاشی آبی روشـن و کتیبه هایی به خط نسخ در طرح هزار بافت قرار دارند، که تنوع تزیینات معماری تیموری را نشان می دهند. از چهار زاویه آن مناره های سر برکشیده که هم مشرف بر مدخل ورودی و ایوان قبلی است که مناره ها با پایه های هشت گوش و میله ی استوانه ای شکل هستند یک گنبدخانه بزرگ مربع شکل با ساقه بلند گنبد بر روی تالار چلیپایی شکل محراب قرار گرفته است.
بزرگی و حجم تالار محراب به قدری است که تالارهای ستون دار مجاور را تحت الشعاع قرار داده است. تالارهای کوچک گنبدی در پشت ایوان های جانبی، جلوه بصری بر محور جانبی بخشیده است. سفالینه های بی لعاب علاوه بر فنون تزئینی دیگر، در کتیبه پی بنای ایوان قبله به کار رفته و نسب نامه موجود در مدخل ورودی سنگی را تکرار کرده و نسب تیمور را به چنگیزخان رسانده است.
