কুতুব শাহী মসজিদের স্থাপত্যশৈলী সুলতানি ও মোগল স্থাপত্যের মিশ্রণ। মসজিদটির পরিমাপ উত্তর-দক্ষিণে ৪৬ ফুট ১১ ইঞ্চি এবং পূর্ব-পশ্চিমে ২৭ ফুট ১১ ইঞ্চি। এর চার কোণে অষ্টভুজাকৃতির চারটি বুরুজ রয়েছে, যার উপরে চারটি মিনার অবস্থিত। বুরুজগুলোতে আলংকারিক নকশার কাজ রয়েছে, যা এর সৌন্দর্য বাড়িয়েছে।
মসজিদের ছাদে পাঁচটি গম্বুজ রয়েছে। মধ্যবর্তী গম্বুজটি বড়, আর চার কোণে চারটি ছোট গম্বুজ। ছাদের কার্নিশ বক্রাকার, যা দোচালা ঘরের মতো। মসজিদের পূর্ব দিকে তিনটি, উত্তর ও দক্ষিণে দুটি করে মোট সাতটি খিলানযুক্ত প্রবেশপথ রয়েছে। পশ্চিম দিকে তিনটি মেহরাব আছে, যার মধ্যে মূল মেহরাবটি সবচেয়ে বড়। মেহরাবগুলো সর্পিল নকশা ও টেরাকোটার অলংকরণে সজ্জিত। বাইরের দেয়ালে ফুল, লতাপাতা ও জ্যামিতিক নকশার কারুকার্য মসজিদটিকে আরও মনোমুগ্ধকর করেছে।