清真大寺的主体建筑是圣殿，基地约1米高，殿长26.50米，宽16.50米，共25间房子大小，为水磨青砖中式建筑。圣殿门向东，为三开拱式门，门前有约长3米宽同圣殿的月台，三面用青砖矮墙围着。
圣殿门上，有阿拉伯文的砖雕及花卉砖雕相衬托，极备灿烂，可谓建筑的珍品。圣殿最具特色的当数其顶部，登高眺望，可看到5座出檐小塔楼将殿顶连为一体，四座玲珑六棱塔楼簇拥着中间一座八角塔楼。中间塔楼顶矗立着一弯新月，闪闪发光。整个殿顶错落有致，起伏多变，极具艺术性。五顶，意寓伊斯兰教信仰的“五大天命”。
“五大天命”又称“五项功课”，即念作正词、坚持礼拜、斋戒一月、交纳天课、麦加朝觐，穆斯林一般简单将它概括为五个字：“念、礼、斋、课、朝”。这五项内容既是功修和制度，又是伊斯兰教法定的宗教义务，被视为体现虔诚信仰的基石。在清代闭塞的归化城（现呼和浩特旧城），已用中国传统建筑风格体现出伊斯兰文化的内涵，并将其表现得水乳交融、天衣无缝，令人叹为观止。殿内规模宏敞，由12跟立柱支撑着整个殿宇穹庐。厅柱为赫红油漆所漆，上有雕刻精细的阿拉伯经文，刀工讲究，可谓巧夺天工。整个大殿内的顶梁、天花板，绘着色彩鲜艳的装饰画，雕梁画栋，绮丽多彩，匠心独运。墙壁洁白无暇，书以硕大伊斯兰经文，庄重典雅。
在圣殿的后壁上，分别雕刻着魏碑体“认主独一”、“日监在兹、极乐真境”，墙的中间是民国十二年（1923年）由时任绥远都统的马福祥（回族）题写的：“正心诚意修身”以及“见性”、“明心”。马福祥的楷体手书，笔势雄浑，苍劲有力。
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