طراحی مسجد را ممتحن‌الدوله به عهده گرفت و معمار آن حاج حسن قمی بود. ساخت هسته اصلی بنا نزدیک به پنج سال به درازا کشید، اما عمر سپهسالار چندان نپایید که مسجد ساخته شده را به چشم ببیند. در دوره‌های بعدی‌، تکمیل بخش‌هایی از مسجد همچنان ادامه یافت که در سال ۱۳۲۰، در محل گل‌خانه قدیمی‌، تالاری ساخته شد که امروز مجموعه دارالقرآن است‌.

در سال ۱۳۴۲، استاد لرزاده تغییراتی در شبستان زمستانی ایجاد کرد و در سال ۱۳۷۵ ، نیز مهندس سعیدی گنبد اصلی را اساسی مرمت کرد. وجه دیگری که به این مجموعه اهمیتی دو چندان می‌بخشد کتابخانه‌ مسجد است که در سال ۱۲۹۷ ه.ق‌، سپهسالار با خرید کتابخانه‌ ۴۰۰۰ نسخه‌ای اعتضادالسلطنه آن را پایه‌گذاری کرد. هم اینک، گنجینه‌ای با بیش از ۴۲۰۰ کتاب خطی به خط مؤلفان و نزدیک به ۱۰۰۰۰ کتاب چاپ سنگی در این کتابخانه‌ موجود است‌.

طراحی این مسجد با الهام از بهترین نمونه‌های پیش از آن‌، هم‌چون مسجد سید و مسجد حکیم اصفهان‌، تحول یافته است‌ ، در واقع تلفیقی از سبک معماری مساجد ایرانی و مساجد شهر استانبول می باشد .  گنبدخانه مسجد سپهسالار تحولی در معماری مساجد به شمار می‌رود. چلیپای بزرگی با ابعاد ۴۵ * ۴۵ متر گنبد اصلی را با دهانه ۱۵ متر در مرکز قرار داده است‌. در قسمت جنوبی‌، بیننده فضای بزرگ بدون ستونی را می‌بیند. سبکی این فضا را حتی، جرزهای عظیمی که گنبد روی آن قرار گرفته مخدوش نمی‌سازد.

چهار گنبد کاربندی با قاعده مستطیل‌، بال‌های چلیپا را پوشش داده‌اند. در نمای بیرونی نیز این چهار گنبد سلسله مراتبی در حرکت به سمت گنبد اصلی با ارتفاع ۲۵ متر به وجود می آورد.

حیاط مربع مدرسه سپهسالار با چهار ایوان، ایده‌آل مسجدسازی ایرانی است. انبار این حیاط ۶۲ در ۶۳ متری می‌باشد که از چهار جهت دو طبقه ساخته شده است و ۶۰ حجره در دو طبقه برای سکونت طلاب علوم دینی وجود دارد. شبستان تابستانی که از ترکیب ایوان جنوبی، نبدخانه و سه گنبد جنبی و دو گوشواره تشکیل شده است، بزرگترین و دیدنی ترین فضای مسجد است. در واقع این قسمت از بنا موجب تمایز آن با دیگر مساجد شده و آن را در ردیف آخرین شاهکار معماری دوره سنتی قرار داده است.

تزئینات ساختاری چون کاربندی و غیرساختاری چون یزدی‌بندی و مقرنس و کاسه‌بندی در ساختمان مسجد به کار رفته و کاشی‌کاری در سطحی وسیع استفاده شده است‌. از انواع مهم کاشی‌کاری در این مسجد معقلی‌، هفت رنگ یا خشتی و معرق را می‌توان نام برد که این آخری به دو صورت اسلیمی و گره‌چینی است و معرق برجسته سر در ورودی در نوع خود منحصر به فرد است‌.

سنگ و تزیینات سنگی در این مجموعه جابه‌جا به کار رفته و از این نظر با دیگر ابنیه دوران قاجار تفاوت دارد و به معماری دوران زندیه شباهت می‌یابد. در این بنا آجر کاری به شکل تزیینی دیده نمی‌شود اما، آجر مصالح اصلی بنا را تشکیل می‌دهد و زمینه‌های است که کاشی کاری روی آن نمایی جذاب دارد.

طاق‌های آجری پر تنوع در دالان‌ها و ورودی‌ها نیز به چشم می‌خورد. تزیینات گچی در شبستان زمستانی به صورت گچ‌بری‌های اسلیمی و کتیبه‌های خطاطی شده‌اند که همه به دست استاد لرزاده ساخته شده‌اند. تزیینات چوبی نیز چون دیگر تزیینات با استادی شکل گرفته‌اند. درهای حجره‌ها و در اصلی شبستان زمستانی گره‌چینی معرق دارند. درب اصلی که به خیابان سرچشمه باز می‌شود دارای بهترین نمونه تزیینات فلزی در این مجموعه است‌. پشت پنجره حجره‌ها نیز نمونه‌هایی زیبا از فرفورژه (نرده‌های دست‌ساز آهنی‌) دیده می‌شود. خط نوشته شده یر روی کاشی های مسجد قلم استاد کلهر ، خوشنویس برجسته دوران قاجار می باشد .

 از ویژگی‌های مهم فضای مسجد سپهسالار ،که در واقع یکی از برجسته‌ترین ابداعات معماری قاجاری نیز به شمار می‌رود، وجود مهتابی‌ها و بهار خواب‌های وسیع در طبقه فوقانی است‌. هر چند این فضاها با ظرفیت بسیار در مسجد سیداصفهان و مسجد سلطانی سمنان نیز یافت می‌شود، در مسجد سپهسالار در مقیاسی وسیع‌تر و با پیچیدگی‌های بیش‌تر طراحی شده است‌.

این ابتکار طرحی را به وجود آورده که افزون بر القای حس محصور و معین بودن‌، حرکتی در جهت خلاف محدودیت فضا ایجاد می‌کند. چنین تدبیری در فضاسازی امکان پیوند میان ناظر و بنا را مختل نمی‌سازد و در همان حال به پیچیدگی و غنای فضا می‌افزاید. دیگر ویژگی معماری مسجد مناره‌های متعدد آن در ابعادی نامنتظره است‌.

امتداد نیم استوانه‌ای آن‌ها تا کف حیاط می‌رسد و ابتکاری منحصر به فرد را به نمایش در می آورد. استفاده از ساعت به جای مؤذنه‌، نمونه‌های بسیار دارد، لیکن در این بنا مکمل مجموعه حرکت‌های عمودی است و کاربرد آن بسیار به جا است‌.

    بعد از انقلاب اسلامی ایران ، مسجد و مدرسه سپهسالار به مدرسه عالی شهید مطهری تغییر نام داد.این روزها مسجد و مدرسه عالی شهید مطهری میزبان بسیاری از مراسم مهم مذهبی، کشوری و لشکری است و به این اعتبار می‌توان آن را بنای یادمانی دانست که در تحولات سیاسی یکصد ساله اخیر مطرح بوده است. بنایی همسایه با ساختمان قدیمی مجلس یا همان دارالشورا که بر سردرش حک شده «عدل مظفر» .جایی ایستاده بر نقطه عطف تاریخ این سرزمین یعنی میدان بهارستان .

میدانی که هنوز تاریخ را نفس می کشد با سپهسالار ،مدرس و خانه هایی که خشت هایشان بوی تاریخ و کهنگی می دهند بوی مجلس ، مشروطه ، آزادی خواهی … .