Синагога выстроена в неомавританском архитектурном стиле и представляет собой нетривиальное здание. Синагога в болгарской столице - это крупнейшая синагога в Юго-Восточной Европе, она является одной из двух действующих синагог в Болгарии и третьей по размерам в Европе. Проект разработал Фридрих Груенангер – самый известный болгарский архитектор того времени. Кроме синагоги, он является автором ещё нескольких зданий, которые сегодня стали достопримечательностями болгарской столицы.
 
Синагога построена по прямоугольному плану с центральным куполом и притвором (лобби). Главное святилище представляет собой восьмигранник, с четырьмя полукупольными коническими углами и прямоугольными пространствами между ними. Все они отделены от святилища арками, которые служат в качестве реквизита в женской части синагоги. Алтарь находится на пьедестале из белого мрамора, в окружении изысканных перил. Основной молельный зал имеет 1170 мест, над которым находится восьмиугольный купол, со свисающей в центре огромной люстрой. Купол имеет диаметр 20 метров, а общая высота строения составляет 31 м.
 
Интерьер синагоги был богато украшен разноцветными венецианскими мозаиками, мраморными колоннами из Каррера, и многочисленной декоративной резьбой на стенах, соответствующими еврейским законам и традициям. Софийская синагога славится своей уникальной акустикой.
 
В мае 1992 в здании Софийской синагоги был открыт еврейский исторический музей, который образовался из постоянной экспозиции "спасение болгарских евреев 1941-1944".  Основной целью музея является поиск, сохранение, изучение и популяризация еврейского культурного и исторического наследия в Болгарии.
 
Музей знакомит посетителей с иудаизмом, еврейскими праздниками и обычаями, традиционным образом жизни и культурой. Экспозиция музея представляет историю жизни евреев в болгарских землях и их многовекового сосуществования с болгарами с древних времен до нынешних дней. Особое внимание в экспозиции уделяется спасению болгарских евреев во время Второй мировой войны, которые не разделили трагическую судьбу шести миллионов евреев, погибших в Европе во время нацистской эпохи.
 
В сентябре 2009 года прошли масштабные торжества по случаю 100-летия освящения Софийской синагоги. Были организованы выставки и другие мероприятия, показывающие, как эволюционировала синагога в различные периоды своей истории. 9 сентября президент Георгий Пырванов встретился с представителями международных еврейских организаций и другими многочисленными гостями.
 
На встрече присутствовали президент и генеральный секретарь Европейского еврейского комитета Серж Цвайгенбаум, президент европейского еврейского фонда Вячеслав Кантор, президент Союза болгарских евреев в Израиле, г-н Абрахам Йомтов, бывшие послы Израиля в Болгарии, а также представители организации евреев в Болгарии "Шалом".
 
В ходе встречи президент Болгарии отметил, что празднование 100-летия Софийской синагоги является поводом не только отметить юбилей архитектурного шедевра, но и хороший повод объединить духовные символы еврейской общины с духовными ценностями Болгарии. Георгий Пырванов отметил, что праздничный юбилей является ещё одной возможностью, чтобы подчеркнуть традиционно толерантные отношения между болгарами и евреями, живущими вместе на протяжении веков.
 
От имени присутствующих на встрече представителей различных еврейских организаций, президент Европейского еврейского комитета Вячеслав Кантор выразил удовлетворение в связи с согласием президента Георгия Пырванова выступить почетным председателем комитета по празднованию юбилея Софийской синагоги. От имени еврейских общин Вячеслав Кантор выразил признательность Георгию Пырванову и всему болгарскому народу за спасение евреев  во время Второй мировой войны.