Ok. 1590 wzniesiono drewnianą świątynię. Obecna, murowana, powstała ok. 1610 i jest jednym z cenniejszych zabytków Zamościa, wybitnym przykładem późnorenesansowego budownictwa żydowskiego w Polsce. Jedna z pierwszych synagog z salą modlitewną na planie kwadratu (11,6 x 12,2 m), od zachodu z sienią (przypomina rynkowe sienie), nad którą znajdował się "chór kobiecy". Później (jeszcze w XVII w.) dobudowano dwa babińce od płn. i płd., a przy zach. ścianie wzniesiono 2 drewniane chórki dla chłopców (istniały do I wojny świat., rysował je Gloger). Bezpośrednie światło padało tylko ze wschodu. Do sali modlitw prowadzi portal z plecionkową dekoracją (niegdyś hebrajski werset z psalmu 118 Oto jest brama Pana, którą wejdą sprawiedliwi) - podobny w krakowskiej bóżnicy Ajzyka. Wobec ograniczenia wysokości synagog, aby podwyższyć salę - została zagłębiona poniżej ulicy.
Dość skromna z zewnątrz, zachowała w środku na żaglowo-lunetowych sklepieniach z konchami w narożach, sztukaterie o żywych barwach z przewagą cynobru (był drogi - świadczył o zamożności gminy) w typie lubelskim (m.in. listwy, motywy roślinno-kandelabrowe, stylizowane "drzewo życia", korony, rozety). Zdobienia te wykazywać mają podobieństwo z synagogą w Toledo, na niej z kolei wzorowano inne synagogi w kraju. Ściany zdobią ramy wypełnione niegdyś wersetami z Biblii. W ścianie wsch. znajduje się wspaniały, kamienny podobny do portalu aron ha-kodesz wys. 5,5 m (rodzaj ołtarza z wnęką na księgi liturgiczne), a nad nim korona Tory i naczynia Lewitów (dzbany i misy). Z przełomu XVII/XVIII w. pochodzą barokowe kraty w oknach.
W 2 ćw. XIX w. zamiast attyki (jej szczątki przechowywano współcześnie w kojcu) otrzymała wyniosły dach naczółkowy (kryty gontem), a babińcom nadbudowano piętra (południowy być może wzniesiony od nowa), dobudowano też przedsionek od zach. tzw. polisz. Pod koniec XIX w. przepełniona (otwarto dom modlitwy przy ul. Zamenhofa). Do ostatniej wojny przetrwała stojąca w środku dekoracyjna, altanowa, żelazna złocona bima uważana za najoryginalniejszą i najpiękniejszą w Polsce - 8-boczna, w górnej części w formie pnączy roślin, ze stylizowaną  koroną Tory, inskrypcjami odczytywanymi podczas obrzezania (dar rabiego Samuela Barzela, 1787 - na kazalnicy dwie tablice z imionami także innych ofiarodawców).
Była też wielka 9-ramienna menora (świecznik), hafty synagogalne (1 poł. XVIII w.), pozłacane srebrne korony, ozdobne świeczniki z orłami, puszki bractwa pogrzebowego, a także od pokoleń przechowywana "czarna księga" (?). W poł. XIX w. na wyposażeniu obok srebrnych naczyń i sprzętów srebrnych (m.in. 3 korony, 2 kielichy, miednica z kubkiem, balsaminka, wskazówki) było przeszło 140 służących do oświetlania lichtarzy, pająków i kinkietów.
W dzień powszedni była zamykana. W 1857 miała mieścić jednorazowo 500 mężczyzn i 450 kobiet. Nazywana była "wielką synagogą", "wielką synagogą miejską" (czasem "miejscową"). Służyła czasem jako miejsce zebrań np. wielkie zgromadzenie ludowe z udziałem profesora gimnazjum hebrajskiego w Jerozolimie (7 i 8 XI 1924), syjonistyczne (27 VIII 1936 o 19-tej - 800 osób), ale także Bundu (1905). Obok niej była "duża modlitewnia".
Hitlerowcy zdewastowali bóżnicę, zniszczyli babiniec płd. i urządzili tu stajnię, potem stolarnię Zipsera (jak utrzymuje się, aby uchronić przed dalszą dewastacją Zipser miał na prośbę rabina zwrócić się do Niemców o budynek). Ok. 1950 leżał w niej zniszczony żyrandol, a na strychu stosy ksiąg z poobrywanymi skórzanymi oprawami. Pierwsze prace remontowe przeprowadzono 1946, odbudowywana w 1948-50 (w 1951-54 mieściła magazyny "Centrogalu"), w 1958 adaptowana na bibliotekę i konserwowano sztukaterie, w 1967-71 m.in. odtworzono grzebieniastą attykę ze sgraffitową dekoracją (proj. T. Zaremba). Zrekonstruowano babiniec (obydwa z powrotem niższe), z piękną neorenesansową kratą (być może z d. bimy).
W 1989 synagogą interesowali się Żydzi z Australii (warunkiem była budowa biblioteki). W 2004 wmurowano tablice pamiątkowe w trzech językach (osobne hasło: Tablice, popiersia, płyty...), odsłaniane kolejno przez ambasadora (hebr.), prezydenta miasta (pol.) i Evę Bar Zeev (angl.). Po wyprowadzeniu w III 2005 biblioteki budynek przystosowano do zwiedzania (2005 - ok. 10 tys. zł, wystąpił żydowski chór "Szofar" z Kaliningradu), była jednak w bardzo złym stanie.
Początkowo właścicielem była Gmina Wyznaniowa Żydowska, ostatecznie Fundacja Ochrony Dziedzictwa Żydowskiego, która w  2009-2010 przeprowadziła gruntowny remont (proj. S. Ćwierz, A. Zbyryt), powstały piwnice z odkrytymi XVII-wiecznymi fundamentami, wykonano stylowe ogrodzenie nawiązujące formą do menory i nową aranżację otoczenia. Pozostała okazała rajska jabłoń (rajskie jabłko występowało w liturgii żyd.). Otwarcie z udziałem 4 ambasadorów odbyło się 5 IV 2011, ob. funkcjonuje jako muzeum i placówka kulturalna Centrum "Synagoga" (do 2012 koordynator Joanna Krauze, ob. Daniel Krzaczkowski), ale doraźnie też dla odwiedzających Żydów pełni funkcje religijne. Do końca roku 2012 zwiedziło 12 tys. osób, w IV - IX 2019 - ok. 11,2 tys.
Pod synagogą miał znajdować się tunel, w którym ukrywano kosztowne święte przedmioty. (osobne hasło: Podziemia). Na piętrze synagoga mieściła szkołę żydowską zw. bethamidrasz (osobne hasło) Do synagogi przylega XIX-wieczny dom kahału (gmina), remontowany w 1933-34 i 1962. Osobne hasło: Domy modlitwy.
3 VII 2014 odbyła się tu pierwsza od przeszło 70 lat bar micwa Jake Wisnika z Nowego jorku (rodzeństwo podobną uroczystość odbyło w Nowym Jorku i Jerozolimie), którą poprowadził rabin obrządku liberalnego z NY, torę wypożyczono z Warszawy. W 2014 zamościanin podarował fundacji Ochrony Dziedzictwa Żydowskiego przechowywany od wojny fragmenty zwoju Tory, który po konserwacji umieszczony zostanie w zamojskiej synagodze.

 * W l. 20. XIX odnotowano, jak Żydzi otrzymali dwutygodniowy termin na opróżnienie urządzeń sanitarnych przy bożnicy, z której  wylewa się na sąsiednie podwórze i całą okolicę przyległą zaraża.
 * Opis synagogi z 1848  - Dom murowany o piętrze, pod dachem, w części gontami a w części dachówką krytym, w którym na dole mieści się Bóżnica Główna Męska i Żeńska, a zaś na piętrze Szkoła czyli Bezmadresz, w którey biblioteka umieszczona iest, a obok teyże szkółka mała i pomieszkanie dla stróża Bóżnicy - również na dole Parkan w części murowany, a w części drewniany, w środku którego kłódki znaydują się.
 * W 1863 do synagogi zakupiono 5 litografowanych modlitw "Hanossen Jeszua" w trzech językach.
 * Jan Sas Zubrzycki - W Zamościu bóżnica ma rzut poziomy przepięknie przybrany w żebrowania należące do sklepienia Zygmuntowskiego, przyczem krzyż Sarmacki odznaczają tu cztery serca, umieszczone tuż ponad wspornikami na osi boku każdego. Serca owe i tutaj w bóżnicy wprowadzone jednoczą się ze sercami gęsto rozsianemi po zabytkach Zamościa, Szczebrzeszyna, Lublina. Jest w tem dowód, jak  pierwiastki czysto polskie wnikały w budowle bóżnic w Polsce, stawianych nie tylko rękoma cieśli polskich a domorosłych, lecz wyposażonych także w sklepienia całkowicie rodzime, bez wpływów obcych.
* Istnieje hipoteza, że krata w babińcu pochodzi z balustrady bimy (kute kwiaty i liście, plecionki, esownice). Pomalowana na srebrny kolor, wzbudziła zainteresowanie Niemców, gdy okazało się, że jest żeliwna, porzucili ją. Odnaleziona po wojnie, wmontowana została w zrekonstruowanym babińcu.