این مسجد دو ایوانی در سال 281 ه.ق. به دستور عمرولیث صفاری ساخته شد. ساختمان مسجد که اولین هسته تاریخی شهر شیراز است مشتمل بر بنایی مرتفع است که دارای چندین حجره و شبستان است و برخی قسمت های آن دوطبقه می باشد.
این مسجد دارای 6 درب ورودی و خروجی بوده است. یک درب در ضلع شمالی، یک درب در ضلع جنوبی، دو درب در ضلع غربی و دو درب در ضلع شرقی.
درب ورودی ضلع شمالی به دوازده امام معروف است و کتیبه ای بر فراز آن قرار گرفته است که در دوره صفوی و در سال ( 1031 ه.ق. ) به خط علی جوهری نگاشته شده است این کتیبه تاریخ مرمت مسجد را در سال مذکور بیان می نماید.
سر در شمالی مسجد با کاشی مقرنس کاری شده است.
بر روی چهار کتیبه نام دوازده امام بر روی کاشی نگاشته شده و در جرزهای دو طرف این سر در نصب شده است. در وسط ضلع شمالی مسجد، طاق نمای مرتفعی قرار گرفته است که در دو طرف بام آن دو گلدسته وجود دارد و سقف آن با آجر مقرنس کاری شده است.
در حاشیه بالای داخلی این طاق نیز سوره هل اتی با خط نسخ بر روی کاشی نگاشته شده است. در انتهای آن پلکانی است که به پشت بام و گلدسته ها ختم می شود و در پیشانی و جلو آنها کاشی کاری شده است و روی آنها با خط نسخ آیات قرآنی نگاشته شده است.
در ضلع غربی این طاق نما، دالان درب دوازده امام ( درب شمالی ) و پنج طاق نما قرار گرفته است و در پشت این دالان و طاق نماها، شبستان کوچکی قرار گرفته است.
در سال 1347 ه.ش. در شرق طاق نمای وسطی، شبستانی بزرگ به طول 30 متر و عرض 17 متر با 5 در آهنی مشبک و محرابی از سنگ مرمر عالی و ازاره هایی تا ارتفاع یک و نیم متر با سنگ مرمر ساخته شده است. قسمتی از این شبستان دو طبقه است و عرض آن نیز 5.5 متر می باشد.
بر روی ستون ها و بدنه این شبستان کاشی کاری شده و بر روی کاشی ها، آیات قرآنی، احادیث و تصاویر گل و بته و خطوط اسلیمی نقش بسته است. در حاشیه بالایی آن نیز سوره هل اتی به خط نسخ بر روی کاشی نگاشته شده است.
خدایخانه پس از تخریب و از بین رفتن برخی از کتیبه هایش، از جانب اداره باستان شناسی فارس و با همیاری واجد کاتب، سید آقا بزرگ نسابه، صرافت، رحیم صمیم، سید هاشم، در سال 1326 ه.ش. کاملا" مرمت شد.
این مسجد در دیماه 1310 با شماره 72 به ثبت تاریخی رسیده است.