معماری این مسجد از نزدیک‌ترین تلفیق‌ها میان معماری ایرانی و معماری مساجد استانبول است. مسجد سپهسالار گنبد ویژه‌ای دارد؛ تعداد مناره‌های بیش از اندازه متداول آن که حدود 10 مناره است و گنبد دو گوش خوابیده‌اش نشان از سبک معماری مساجد ترکیه دارد.
کارشناسان معماری معتقدند که این بنا با بهره‌گیری از کاشی‌کاری‌ها و مجموعه هنرهای معماری دوره قاجار طراحی و ساخته شده است.
در سال ۱۲۹۶ قمری میرزا حسین خان سپهسالار دستور ساخت مسجدی را داد که اکنون، از زیباترین بناهای شهر تهران به شمار می‌رود.
طراحی مسجد را ممتحن‌الدوله به عهده گرفت و معمار آن حاج حسن قمی بود. ساخت هسته اصلی بنا نزدیک به 5 سال به طول انجامید.
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 مرمت کرد.
وجه دیگری که به این مجموعه اهمیتی دو چندان می‌بخشد کتابخانه مسجد است که در سال ۱۲۹۷ قمری، 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.
این بنا دارای 3 ورودی در بخش شمالی بوده که به علت احداث کتابخانه ملی توسط مهندس سیحون در سال 1342 مسدود و ارتباط این قسمت از بنا با باغ بهارستان قطع شد.
ورودی اصلی این مسجد با عقب نشینی نسبت به پیاده رو از الگوی جلوخان تبعیت کرده و ورودی شرقی نیز چنین الگویی را به صورت ساده تری داراست.
از ویژگی‌های مهم فضای مسجد سپهسالار، که در واقع یکی از برجسته‌ترین ابداعات معماری قاجاری نیز به شمار می‌رود، وجود مهتابی‌ها و بهارخواب‌های وسیع در طبقه فوقانی است.
بعد از انقلاب اسلامی، مسجد و مدرسه سپهسالار به مدرسه عالی شهید مطهری تغییر نام یافت.
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.