این گنبد در حد فاصل سال‌های 704 تا 712 قمری، به دستور اولجایتو پادشاه مغول، معروف به سلطان محمد خدابنده و با تولیت و نظارت خواجه رشیدالدین فضل‌الله همدانی ساخته شده است.
سلطانیه، زمانی پایتخت و مسکن شهریاران ایران بوده و امروزه نیز آرامگاه سلطان محمد خدابنده است.
گنبد مشهور سلطانیه که در مسیر تهران - زنجان از دور به رنگ نیلگون در پهنه دشت فراخ سلطانیه دیده می‌شود، گنبدی عظیم و یک پوشش است که از بی‌نظیرترین گنبدهای یک پوشش زیبا به شمار می‌آید.
گنبد سلطانیه از نظر حجم، سبک معماری، رابطه فضاها، تناسبات موجود در اجزای مختلف، ایستایی و مقاومت بنا، و زیبایی‌شناسی و تزیینات، نمونه¬ای منحصر به فرد و نقطه تحولی در معماری اسلامی به شمار می‌آید. [300 کیلومتر تا بزرگترین گنبد آجری جهان]
در بسیاری از متون تاریخی و سفرنامه‌ها، به عظمت این بنای باشکوه اشاره شده و بسیاری از شرق‌شناسان و باستان‌شناسان غربی نیز اهمیت فوق‌العاده آن را مورد تأکید قرار داده‌اند.
بدنه اصلی گنبد و تمام ساختمان آن با آجر ساخته شده و گنبد با روکش کاشی‌های فیروزه‌ای و لاجوردی و به شیوه معرق‌کاری تزیین شده است. [گنبد سلطانیه، جامه فیروزه‌ای بر تن کرد]
در قسمت جنوبی گنبد، آثار ساختمان مسجدی که محراب آن دارای حاشیه گچبری است، دیده می شود. با ملاحظه دقیق این بنای عظیم، به نظر می‌رسد که علاوه بر محل آرامگاه اصلی که شامل ساختمان مرکزی گنبد است و به نام تربت خانه شهرت دارد، بنای معظم و عالی دیگری جنب آرامگاه بوده است.
کاشی‌های طلایی رنگ و منقش و هشت گوش تربت خانه و ازاره های آن از لحاظ هنر کاشی پزی فوق العاده ممتاز و کم نظیر است.
پلان بنا در رقوم همکف و طبقه اول با فضاهای اطراف مرتبط با گنبد، نزدیک به مستطیل و ادامه مجموعه در طبقه دوم و سوم دارای پلان هشت ضلعی است. این بنا از سه فضای گنبدخانه، تربتخانه و سردابه تشکیل شده است. [«خوب، بد، زشت» گنبد سلطانیه]
گنبد آرامگاه اولجایتو، با ارتفاع 50/48 متر و قطر دهانه 40/24 متر، بزرگترین گنبد تاریخی در ایران و بزرگترین گنبد آجری در جهان می‌باشد.
این گنبد نخستین گنبد دو جداره در جهان است که نمی‌توان نمونه‌ای قدیمی‌تر از آن در جهان یافت. ضخامت گنبد 160 سانتی‌متر و فضای خالی بین دو پوسته 60 سانتی‌متر است.
سیستم دو جداره بودن گنبد در ارتباط با مسایل ایستایی قابل بررسی است. به طوری که به لحاظ بالا بودن مقاومت بنا در لنگرهای خمشی و برشی، آن را توخالی و بنا را در مقابل زلزله آسیب‌ناپذیر کرده است.
در فضای گنبدخانه، 8 جرز سنگین با عرض 78/6 متر قرار دارد که وزن 1600 تنی گنبد را به شالوده‌ها منتقل می‌کنند. سطح مقطع هر کدام از این جرزها حداقل 50 متر مربع و بار وارده بر آن 200 تن محاسبه شده است.
در زوایای اضلاع 8 ضلعی در طبقه سوم (پشت بام) گنبدخانه، هشت مناره تعبیه شده است. وجود این مناره‌ها، یکی از عناصری است که در حل مسایل استاتیکی نقش موثری داشته و نیروهای فشاری این عناصر، نیروهای رانشی گنبد را خنثی کرده و آنها را به جرز و پی منتقل می‌کنند.
دومین فضای آرامگاه اولجایتو، فضای تربتخانه است که به شکل مستطیل با طول ضلع 60/17 متر و عرض 8/7 متر و با ارتفاع 16 متر، محراب مجموعه را در جرز جنوبی در خود جای داده است.
سردابه سومین فضای آرامگاه است که ورودی آن در ایوان جنوبی تربتخانه قرار دارد. در وسط آن محل قبر و در طرفین آن دو فضای کوچک وجود دارد.
این بنای 1600 تنی در 700 سال گذشته تنها 2 تا 8 سانتی‌متر نشست داشته است. در حالی که ضخامت پی بنا فقط نیم متر است و تنها در قسمت شمالی بنا به 5/1 متر می‌رسد.
گنبد سلطانیه از نظر تزیینات، بسیار غنی بوده و در آن تزیینات مختلف گچبری، کاشی‌کاری، کتیبه‌نویسی، تزیینات رنگ و نقاشی، تزیینات سنگی و چوبی، در نهایت دقت و زیبایی اجرا شده است.
تزیینات گچبری در سقف ایوان‌های 24 گانه طبقه دوم بنا، از زیباترین نمونه‌های گچبری در بناهای اسلامی به شمار می‌آید.
در این آرامگاه، برای نخستین‌بار در تاریخ معماری اسلامی، در سطح پیچیده و مفصل از هنر کاشی‌کاری استفاده شده است. البته تزیینات در این بنا دو لایه بوده و درباره این پدیده فرضیات گوناگونی ارائه شده است.
در رابطه با کاربرد بنا به عنوان ساعت آفتابی باید گفت که نوری که از سوراخ اصلی گنبد می‌تابد، نشان‌دهنده زمان ظهر، نوری که از پنجره‌های بزرگ می‌تابد نشان‌دهنده ساعت و نور پنجره‌های کوچک نشان‌دهنده حدود دقیقه است.
گنبد و شهر سلطانیه در سال 2005 میلادی در فهرست میراث جهانی یونسکو به ثبت رسیده است. [آشنایی با 10 اثر ایرانی ثبت شده در یونسکو]
