Mimar Sinan'ın elinin de değdiği yapı, son şeklini 2. Abdülhamid döneminde gerçekleştirilen onarım sırasında almış. Kütahya Ulu Camii'nin ilk şekli, ağaç direkli bir cami olarak Yıldırım Bayezid tarafından yaptırılmaya başlanmış, Ankara savaşından sonra oğlu Musa Çelebi tarafından 1410'da tamamlanmış. Evliya Çelebi'nin verdiği bilgiye göre Kanunî Sultan Süleyman döneminde, tüm zamanların en büyük mimarı Koca Sinan tarafından tamir edilmiş. Bundan sonra da bazı onarımlar geçiren cami son şeklini 1893'te, ecdad yadigârlarının en büyük koruyucusu Sultan 2. Aldülhamid zamanında almış. Bu onarımda duvarlar temellere kadar yıkılıp yeniden kesme taştan örülmüş, Çavdarhisar'daki antik kentten getirilen sütunlar ve mermer plâkalar da kullanılarak kubbeli şekilde yapılmış. İki büyük, 6 yarım ve köşelerde dört küçük kubbe ile desteklenen dikdörtgen plânlı yapının doğu, batı ve kuzeyden olmak üzere üç girişi ve beş bölümlü bir son cemaat yeri var. Kapılardan girildiğinde iç mekân geniş, aydınlık ve ferah bir etkiye sahip. Yüksek kaideler üzerine yerleştirilmiş antik altı büyük sütun geniş mekânı görmeyecek şekilde kubbeleri taşıyor. Kemerlerde iki renk kullanılarak hareket kazandırılmış. Ulu camilerin genel karakteristiği gereği bu caminin ortasında da bir şadırvan var. Ahşap tavanlı müezzin mahfili şadırvanın üzerine altı küçük sütuna oturtulmuş. İç mekânın arka kısmının üstü boydan boya mahfillerle çevrilmiş. Cami içinde hat levhaları ve kalem işleri yoğun bir şekilde kullanılmış olmasına rağmen, dağılışları göze batmayacak şekilde, dengeli bir süsleme oluşturulmuş. Ancak çiniler diyarının bu muhteşem eserinde mihrabın sağında dört karodan meydana gelmiş Kâbe tasvirli çini kompozisyonu dışında çini bulunmuyor.
