این بنا به دستور میرزا حسن علی خان ملقب به نصیرالملک، که از اعیان و اشراف شیراز بود، ساخته شد. معماری آن کار محمد حسن معمار بوده است. مدت ساخت آن حدود ۱۲ سال و از سال ۱۲۵۵ تا ۱۲۶۷ خورشیدی به طول انجامیده است. مرمت، حفظ و نگهداری این بنای باشکوه و ارزشمند با رعایت استانداردهای بینالمللی مرمت آثار تاریخی از سالها پیش توسط موقوفه نصیرالملک به تولیت آقای محمود قوام آغاز شده و همچنان ادامه دارد.
مسجد دارای صحن وسیعی میباشد که در سمت شمال مسجد قرار گرفته است. در ورودی دارای طاق نمایی بزرگ است، که سقف آن با کاشیهای رنگارنگ مزین گشته است. درهای ورودی این مسجد، دو در بزرگ چوبی است که در بالای آن بر روی سنگ مرمر شعری از شوریده شیرازی به مناسبت سازنده مسجد و سال اتمام آن نوشته شده است. مسجد دارای دو شبستان شرقی و غربی است. شبستان غربی که پوشش آجری دارد و بیشتر بروی آن کار شده و زیباتر است٬طاق این شبستان بر روی ستونها سنگی و با طرح مارپیچ بر روی آن در دو ردیف ششتایی و به تعداد دوازده عدد به نیت دوازده امام قرار گرفته است و همچنین این شبستان دارای هفت درگاه که آن را به صحن مسجد مرتبط میکند، با هفت در چوبی با شیشههای رنگارنگ میباشد. سنگتراشی و تزیین این شبستان الهام گرفته شده از مسجد وکیل شیراز است. طاق و دیوارهای این شبستان با کاشی کاریهای زیبا تزیین شده است. کف آن با کاشیهای فیروزهای و سقف آن با نقش گل و بوته و آیات قرآنی مزین گشته است. این شبستان در واقع شبستان تابستانه محسوب میشود.
شبستان شرقی که به زیبایی شبستان غربی نیست، شبستان زمستانه به حساب میآید، دارای هفت ستون بدون طرح و ساده است و در یک ردیف در وسط قرار گرفتهاند.در جلوی شبستان شرقی، ایوانی قرار گرفته که با هشت طاق نما از حیاط مجزا گشته است.در ان شبستان دری وجود دارد که به یک چاه آب گشوده میشود.همچنین در این مکان یک حوضچه و یک دالان نیز موجود است.هر دو شبستان بر خلاف معمول به خاطر جهت گیری ساختمان قبله در امتداد محور قبله واقع شدهاند.در دالان شمالی سنگ نوشتها
ی وجود دارد که شعر زیر از سعدی بر روی آن حک شده است:
غرض نقشی است کز با ما باز ماند که هستی را نمیبینم بقایی
مگر صاحبدلی روزی به رحمت کند در حق استادان دعایی
مسجد دارای دو ایوان شمالی و جنوبی است که شبیه هم نیستند و ایوان شمالی زیباتر از ایوان جنوبی است.ایوان شمالی دارای سه نیم طاق در سه طرف است و از سمت چهارم به صحن راه دارد، همچنین این ایوان داری ۴ غرفه است و سقف میانی آن با مقرنس کاری و کاسه سازی پنج کاسه مزین گشته است.ایوان جنوبی نیز دارای دو گلدسته است و در حیاط آن نیز حوضی مستطیل شکل و سنگی با فواره وجود دارد.
در سمت شمالی مسجد طاق نمایی به نام طاق مروارید وجود دارد، که تمام سقف، داخل و بیرون آن کاشی کاری رنگارنگ شده است و بر روی آن آیات قرآنی نوشته شده است و در دو طرف این طاق نما دو طاق کوچکتر نیز وجود دارد.در سمت جنوب نیز طاقی وجود دارد که ارتفاعش کمتر از طاق مروارید است و تمام سطح بیرونی و داخلی آن کاشیکاری شده و سقف آن نیز مانند طاق شمالی مقرنسکاری گشته است.بر روی آن نیز دو گلدسته وجود دارد که در ورودی این دو گلدسته دو طاق نمای کوچکتر در دو طرف طاق اصلی وجود دارد.