Здание целиком построено из жжёного кирпича и этот материал определяет не только конструктивно-технические особенности, но и его основной эстетический эффект.
Мавзолей квадратный в плане. Все фасады здания, ориентированного по соронам света, одинаково равнозначны, ни один архитектурно не выделен как главный, что, в свою очередь, определяет центрический характер его композиции. Будучи строго симметричным, здание имеет четыре нишевых входа и четыре, встроенные во внешние углы, массивные трёхчетвертные колонны без баз и капителей.
Декоративные детали, выпиленные из кирпича и резного ганча, использованы в небольшом объёме.
Чередование кирпича, положенного горизонтально и под углом, плашмя и вертикально, диагонально и «в ёлочку», кирпич, тёсаный так, что из него выкладываются крупные диски, четырёхлепестковые розетки, сквозные фигурные решётки окон, кирпич, образующий выпуклые фигуры на заглубленном фоне кладки, выявленные глубокой теневой игрой, — подобного по виртуозности использования фактурных качеств этого материала не знал в ту пору ни один другой памятник мировой архитектуры.
По своему уникален в интерьере ярус подкупольных конструкций из пояса сквозных арочек, также связанных проёмами с венчающей галереей или по-другому, верхним обходным коридором.
Она состоит из ниш, перекрытых арками, обрамлёнными по периметру рельефными кирпичными лентами. Ниши арок в нижних частях прорезаны небольшими окнами, за которыми лежит венчающая галерея.
В юго-восточном углу мавзолея находится крупное и неоднократно ремонтировавшееся надгробие Исмаила Самани.
Архитектурные формы мавзолеев портально-купольного типа, сложенные из кирпича, завершающиеся куполом, восходят к конструктивным основам юрты, которые использовались сначала в курганных захоронениях тюрков, а позже в мавзолеях исламского времени.