Kapalıçarşı’nın Cağaloğlu ve Çemberlitaş’a açılan kapısının önünde yer alan Nuruosmaniye Camisi, Osmani ve Nuruosmani isimleriyle tanınmıştır. Bu caminin bulunduğu yerde daha önce, Hasan Canzade Şeyhülislam Hoca Sadettin Efendi’nin eşi Fatma Hatun’un mescidi bulunuyordu. Mescit harap ve yıkılmaya yüz tuttuğundan, Sultan I. Mahmud’un emriyle ortadan kaldırılmış ve yerine bugünkü caminin yapımına h.1161 (1748) yılında başlanmıştır. Ancak padişahın ölümü üzerine camiyi kardeşi III. Osman tamamlatmış h.1169 (1755), bundan ötürü de “Osman’ın Nuru” anlamında Nuruosmaniye olarak isimlendirilmiştir.
Nuruosmaniye Camisi’nin en büyük özelliği batı mimarisinin etkisiyle yapılmış ilk camilerden oluşudur. Burada klasik Osmanlı mimarisinin izlerini görmek çok zordur. Barok üsluptaki caminin mimarı da tartışmalıdır. Bazı kaynaklarda Mimar Mustafa Ağa’nın ismi geçiyorsa da büyük olasılıkla Simon Kalfa tarafından yapıldığı sanılmaktadır.
Yapı topluluğu; cami , medrese, imaret, kütüphane, türbe, çeşme, sebil ve muvakkithaneden meydana gelmiştir. Çevresinde dükkanlar ve aynı ismi taşıyan bir de han vardır. Külliyenin bulunduğu arazinin dışa eğimli oluşundan ötürü avlunun kuzey ve batı duvarları boyunca ortaya çıkan mekânlar dükkana dönüştürülmüş ve böylece külliyeye gelir sağlanmıştır.
Barok üsluptaki cami, iki kapılı, 12 sütunlu, 14 kubbeli revaklı geniş bir dış avlu ile çevrilidir. Bu avlu klasik plân üslubundan tamamıyla ayrılmış olup, yarım daire şeklinde bir plân gösterir. Klasik üsluptaki cami avlularında görünen şadırvan burada bulunmamaktadır.
İki taraftan geniş merdivenlerle çıkılan caminin giriş kapısı üzerinde Hattat Eğrikapılı Rasim’in yazdığı bir kitabe yerleştirilmiştir. Girişin iki tarafındaki ayetleri de Hattat Fahrettin Yahya yazmıştır.
Caminin ibadet mekânını örten kubbesi, klasik Türk mimarisinde görülen uygulamalardan ayrı olarak, payeler yerine duvarlar üzerine oturtulmuş ve ağırlık buraya verilmiştir. Mihrap dışarıya doğru çıkıntılı olup, üzeri de yarım bir kubbe ile örtülüdür. Kubbe 25 metre çapında, kubbe eteğinde 32 pencere bulunur. Klasik mimariden ayrı olarak beş sıra halinde 174 pencere ile aydınlatılmıştır. Yapının dengesini kontrol etmek için mihrabın iki yanına döner terazi sütunlar yerleştirilmiştir. Ayrıca kubbenin dışa açılmasını önlemek için, yapının her iki tarafına ağırlık kuleleri oturtulmuştur. Minber ve mihrabı mermerdendir. Mihrabın sağından başlayan fetih suresi mermer üzerine oyularak bir kuşak gibi bütün camiyi çevrelemektedir. Ayrıca pencere üzerinde renkli taşlar üzerine hadisleri hattat Bursalı Müzehhip Ali Efendi celi-sülüs yazıyla yazmıştır.
Taş alemli ikişer şerefeli iki minaresi vardır. Osmanlı mimarisinde taş alemler ilk kez burada kullanılmıştır.
Kütüphanenin sağında III. Osman’ın annesi Şehsuvar Sultan’ın türbesi bulunmaktadır. Yapı topluluğunun imareti ve medresesi caminin kuzeyinde, Kapalı Çarşı yönünden avluya girildiğinde sağda yer almaktadır. Sebil sağdadır. Türbe ve kütüphane, hünkar mahfilinin arkasında yer almaktadır. Türbe de Sultan III. Osman’ın annesi Şehsuvar Valide Sultan gömülüdür.