Gazi Kemal mahallesinde Vacidiye medresesi (bugünkü Kütahya Müzesi) ile II. Yakup Çelebi İmaret Mescidi (Eski Vahitpaşa İl Halk Kütüphanesi) arasında yer alır.45*25 metrelik bir alanı kaplar. Kütahya' nın en geniş iç hacmine sahip tarihi yapısıdır. Avlusuzdur. Tamamen kesme taştan yapılmıştır. İki tam kubbe ve 6 yarım kubbe ile desteklenmektedir. Dikdörtgen biçimlidir.
Minaresinin kaidesi kesme taş, gövde kısmı tuğladandır. Yapının bugünkü halinde doğu, batı ve kuzeyden olmak üzere üç girişi vardır. Beş bölümlü bir son cemaat yeri vardır. Batı tarafındaki bir bölüm 19. yüzyılda örülerek "Vahitpaşa Kütüphanesi" olarak kullanılmıştır. Dikkat çekici keçeli, saraçlı kapı örtüsü vardır.
Kapılardan girildiğinde iç mekan ayrımı geniş, aydınlık ve ferah bir etkiye sahiptir. Yüksek kaideler üzerine yerleştirilmiş, hafif yivli, antik altı büyük sütun geniş mekanı görmeyecek şekilde iki kubbe ile altı yarım kubbeyi taşımaktadır. Sütun başlıkları sade, üstleri ise yastıklıdır. Kemerler ise koyu kırmızı ve gri olmak üzere iki renkli işlenmiştir. İki tam, altı yarım kubbe yanı sıra köşelerde de dört küçük kubbesi vardır.
Caminin ortasında bir şadırvan vardır. Şadırvan üzerine altı küçük sütuna oturtulmuş ahşap tavanlı bir müezzin mahfili vardır. İç mekanın arka kısmının üstü boydan boya mahfilidir. Cami iç mekanında bütün yazı ve istif levhaları ile kalem işleri yoğun bir şekilde kullanılmış olmasına rağmen dağılışları göze batmayan dengeli bir süsleme oluşturmaktadır. Yapının bugünkü sahip olduğu mekan ferahlığı yanında kalem işleri 19. yüzyıl sonunda gerçekleştirilen en başarılı yapılardan biri olarak tanımlanmaktadır. Ancak çiniler diyarının bu muhteşem eserinde mihrabın sağında dört kareden meydana gelmiş kabe tasvirli çini kompozisyonu dışında çini bulunmaması dikkat çekicidir.
Ulu Caminin ilk şekli ağaç direkli bir cami olarak Yıldırım Beyazıt tarafından yaptırılmaya başlanılmış, Ankara savaşından (1402) sonra oğlu Musa Çelebi tarafından tamamlanmıştır. (1410) Vakıf kayıtlarında camiden Yıldırım Beyazıt Han Camii olarak bahsedilmektedir. Ünlü seyyah Evliya Çelebi caminin Kanuni Sultan Süleyman döneminde Mimar Sinan tarafından tamir edildiğini de belirtmektedir.
Kanuni, Rodos (1522-1523) ve Irakeyn (1534-1535) seferlerinde bir süre Kütahya' da bulunmuştur. Bu sırada binanın onarımı için seferlere katılmış olan Mimar Sinan' a talimat vermesi mümkündür.
Bundan sonra da bazı onarımlar geçirmiş olmakla birlikte cami son şeklini 1893' de Sultan II. Aldülhamit Han zamanında almış ve bu son büyük onarım sırasında cami kubbeli olarak yapılmıştır.
1888' de başlayıp 1893' de bitirilen bu onarımda duvarlar temellere kadar yıkılıp, yeniden kesme taştan yapılmış, Aizanoi (Çavdarhisar)' dan getirilen sütunlar ve mermer plakalar kullanılarak kubbeli şekilde yeniden yapılmıştır.
Ulu Camii, bundan başka sonuncusu 1961-1962' de olmak üzere küçük onarımlar da geçirmiş, zaman zaman kurşun kaplamalar değiştirilmiştir.