該寺為中國傳統古典建築風格，建築面積為2870平方米。全寺分為內外兩院，外院較為寬敞，穆斯林重大節日常聚于此處會禮。寺門前有長9米、高6米的照壁，為“月藏松柏”磚雕圖案。與照壁形成對照的是3個轉砌券門，鐫刻有阿拉伯文磚雕和花卉圖案，技藝精湛，栩栩如生。

    中門上書“清真寺”3個大字，左右兩個券門分別書寫有“忍心”、“忍耐”門額。券門上部原有四角攢尖頂的3層邦克樓一座，民國時期曾遭龍卷風破壞，後改建為2層。從券門入內沿階而上，內院高台有禮拜大殿，座西朝東，視野開闊，殿前南北講堂各5間，與大殿形成三合院式布局。

    大殿由兩座歇山頂和一個卷棚頂勾連搭，面闊5間，進深9間，內有20余根明柱支撐，木板鋪地，牆壁裝飾有《古蘭經》文書法。大殿寬敞，可以容納千余人同時禮拜。殿外裝飾精致，翹簷斗拱，莊重樸素。

    同心清真大寺不僅是穆斯林宗教活動場所，還是一座具有光榮革命歷史的文物建築。1936年，中國工農紅軍西征時，曾經發動當地群眾在此召開各界代表大會，並成立了中國歷史上第一個縣級回民自治政權──陝甘寧省豫海回民自治政府。1958年，同心清真大寺被寧夏回族自治區人民政府列為全區重點文物保護單位。