Le bâtiment de la Grande synagogue a été construit sur le plan d'une croix latine, en style classique, avec de nombreux éléments de type renaissance ou empire. On pénètre par un large portique classique à quatre colonnes, au-dessus duquel est écrit en hébreu en lettre d'or: "Que le Nom de celui qui se trouve dans ce bâtiment, que le Nom du Tout Puissant, apporte parmi nous la paix, l'entente, la fraternité et l'amour". De chaque côté de l'entrée se trouve un chandelier à cinq branche.
Les hommes pénètrent dans la grande salle de prière située au rez-de-chaussée par le vestibule, tandis que les femmes montent dans les galeries situées de part et d'autre. A l'opposé de l'entrée, deux colonnes de style corinthien qui font référence aux colonnes à l'entrée du Temple de Jérusalem, tel que décrit dans la Bible.
Au-dessus de la nef centrale, un grand dôme doré avec une couronne, supposée symboliser la plus grande et la principale synagogue de Varsovie et son rôle prédominent. La longueur totale du bâtiment est de 64 mètres. A son sommet, une boule en cuivre doré, don d'Henryk Reychman, contient l'historique de la construction et le plan de la synagogue.
Le hall de prière de forme rectangulaire a une dimension de 33 mètres par 29 mètres. La largeur des nefs latérales est de 8,5 mètres, et la nef centrale de 10,5 mètres. Le vestibule à l'entrée avant le hall de prière, est de forme carrée, de 17,5 mètres de côté. Il donne accès de chaque côté à des vestiaires. Le vestibule est recouvert à l'extérieur d'un petit dôme aplati.
Les trois nefs débouchent sur une abside en style néoroman. Au-dessus des nefs latérales et derrière l'Arche sainte, se trouvent les galeries des femmes avec le chœur. La synagogue possédait de très riches équipements. L'Arche sainte, payée par la famille Natanson, a été exécutée en bois spécialement importé du Liban et plus particulièrement du cèdre. Elle est revêtue d'un paro'het (rideau) rouge et blanc, richement brodé et entrelacé d'or et d'argent. La bimah (autel) en bois magnifiquement sculpté par Gunderlach, est un don de Mathias Bersohn. Celle-ci se trouve juste devant l'Arche, et le tapis décoratif sur le sol qui les relie a été offert par Antoni Ejzenbaum. Au-dessus du renfoncement où est située l'Arche, on trouve une petite galerie à arcades où se place le chœur.
Si le plan de la synagogue a soulevé différentes réserves, l'intérieur n'a soulevé qu'admiration:
«Bien que les seuls ornements soient les chandeliers de bronze et les balustrades des galeries, autour de la salle, le bâtiment donne une impression de simplicité. En pénétrant plus en profondeur, le rouge et le blanc du rideau, entrelacé d'or et d'argent, l'arche en cèdre, les Tables de la Loi en marbre avec les inscriptions, l'autel, les bougeoirs et la lampe éternelle, donnent une impression profonde de religiosité - Ici, vraiment, vous ressentez que vous êtes dans un temple.
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