Bizans devrinin en büyük meydanı olan Forum Theododsiacum veya Tauri Forum’unun bulunduğu yerde, Beyazıt Meydanı’na ismini veren, Fatih Külliyesinden sonra ikinci büyük külliye olan II. Beyazıt Külliyesinin yapımına, kapı kitabesinden öğrenildiğine göre1500 yılında başlanmış, 1505 yılında da tamamlanmıştır. Cami kapısı üzerindeki bu kitabeyi Hattat Şeyh Hamdullah yazmıştır.

Caminin mimarı olarak Mimar Kemaleddin ve Mimar Hayreddin’in isimleri üzerinde durulmuşsa da sonradan bulunan bir belgeye dayanılarak mimarının Yakup Şah bin Sultan Şah olduğu ileri sürülmüştür. Günümüzde kesin bir söz söylenememekle beraber bu üç mimarın da burada çalıştıkları, ancak hangisinin mimarbaşı olduğu kesinlik kazanamamıştır. Rıfkı Melûl Meriç bunlardan Mimar Hayreddin’i burada Su Yolcu olarak çalıştığını ileri sürmüştür.

Hadikatü’l-Cevami Beyazıt Camisi için şu bilgileri vermektedir:

“Der- beyan-ı Camii Sultan Beyazıd-i Hanı-ı Veli.
Sultan Beyazıd Hazretlerinin Camii Şerifi birer şerefeli, iki minareyle bina olunup, sonra imaret ve tabhane ve mektep ve dahi sonra medrese bina edip müderrisliğini Devleti Aliyye’ de şeyhülislam olanlara şart eylemiştir. İptida müderris olan, Zembilli Ali Efendi’dir. Bâdehû Fatih-i Mısır, Sultan Selim-i Kadim Hazretleri pederi üzerine müstakil türbe bina eylemiştir ve kurbinde bir sağır türbede kerimesi Selçuk Sultan medfûnedir ve mihrab üzerinde ve büyük kubbede ve orta kapı haricinde Şeyh Hamdullah hattile işbu nesr-i arâbî tarih vardır:
Vakad vakael ibtidâ bi’l-binâi fî evâhiri zi’l-hicce li-seneti sitte ve tısa mie 906. Ve’tefekul itmami fî seneti ahadi ve aşre ve tisa mie 911 Hicriye.

Yapı topluluğu cami, imarethane, sıbyan mektebi, tabhaneler, medrese, hamam, kervansaray ve türbelerden oluşmaktadır. Daha önce yapılmış bulunan Fatih Külliyesi’nden farklı olarak simetrik ve bir düzen içerisindeki külliye görünümünden uzak, dağınık bir şekilde inşa edilmiştir. Beyazıd Camisi değişik bir plân şekli göstermektedir. Caminin plân düzeni ile Ayasofya’nın plânı arasında bağlantı kurulmaya çalışılmıştır. Ancak bu iddia gerçeği yansıtmamaktadır. Erken Osmanlı mimarisinde görülen yan mekânlı camiler (ters T plânlı) tipinin klâsik mimariye geçişi arasındaki bir dönemin örneği olarak kabul edilmelidir. Burada yan mekânlı plan düzeninden yola çıkılarak tamamen Klasik Türk mimarisinin başlangıcı olmuş bir örnektir.

İbadet mekânı büyük bir kubbe ve ona bitişik iki yarım kubbe ile örtülmüştür. Bunların iki yanındaki dörder yan kubbe de üst örtüyü tamamlamaktadır. Caminin ibadet mekânı 37.02 ve 37.06x36.80 metre ölçüsündedir. Merkezi kubbe 16.78 metre çapındadır.Son cemaat yeri altı sütunun taşıdığı yedi kubbelidir. Mihrap ve minber mermerden yapılmış olup, oymalı ve kabartmalıdır. Minberin sağında renkli on sütun üzerine oturtulmuş hünkar mahfili, sağda da sekiz sütunun taşıdığı müezzin mahfili bulunmaktadır.

Caminin birer şerefeli minareleri tabhaneye bitişik olup, diğer camilerden ayrı özelliğidir. Bu nedenle iki minare arasındaki uzaklık 79 metredir. Bunlardan sağdaki minare 1953-1954 yıllarında onarılmış ve orijinalliğini yitirmiştir. Soldaki minare de küpüne kadar yıkılarak yenilenmiştir. Minarelerin üzerinde yontma silmeler, çerçeveler ve sivri kemerli nişler vardır. Buradaki kırmızı ve yeşil kakma ile yapılmış panoların içerisine kûfi yazılar yerleştirilmiştir. Renkli taşlarla geometrik süslemeli minarelerdeki bu bezeme, özellikle soldakinde tahrip edilmiştir.

Caminin şadırvanı Sultan IV.Murad döneminde (1623-1640) yapılmıştır.Avlu döşemesi ve şadırvanın sütunları Bizans’tan kalma malzemenin yeniden işlenmesi ile elde edilmiştir. Özellikle şadırvan sütunlarında Bizans izleri görülebilmektedir.

Külliyenin imarethane ve kervansarayının bugüne ulaşan kısmı Beyazıt Devlet Kütüphanesi tarafından kullanılmaktadır ve caminin solunda yer almaktadır. Medrese ise caminin sağında ve oldukça uzağında yapılmıştır. Günümüzde Türk Vakıf Hat Sanatları Müzesi olarak kullanılmaktadır. Külliyenin hamamı medreseden de uzakta olup, Ordu Caddesi üzerinde, Edebiyat Fakültesi’nin yanındadır. Halk arasında yanlış olarak Patrona Halil ismi ile tanınmaktadır.

Beyazıd Camisinin mihrap tarafındaki küçük hazirede 1512’de Yavuz Sultan selim’in yaptırdığı Sultan II.Beyazıd’ın türbesi bulunmaktadır. Oldukça sade ve zengin bir mimarisi olan bu türbenin duvarları kalem işleri ile süslüdür. Türbe içerisinde yalnızca Sultan II.beyazıd’ın sandukası bulunmaktadır. Caminin kıble tarafındaki boşlukta ise II. Bayezid’in kızı Selçuk Sultan’ın ve Tanzimat Fermanı’nın ilan eden Mustafa Reşid Paşa’nın türbeleri bulunmaktadır. Ayrıca burada Sultan II.Mahmud döneminin devlet adamları, Sadrazam Çerkez Mehmed Paşa, Şeyhülislam İvazpaşazade İbrahim’in mezarları bulunmaktadır.

Beyazıd Camisi 1797-1870-1940 ve 1958 yıllarında onarım görmüştür. Bu onarımlar sırasında ön cephedeki iki yan kapının üzerindeki ahşap revaklar kaldırılmıştır.