Соборная мечеть и Большой минарет
Строительство Соборной мечети было начато вскоре после монгольского завоевания и закончено, судя по археологическим данным, к 60-м годам XIII в. Мечеть была одним из главных сооружений города и должна была показывать мощь государства, величие ислама, поражать иноземцев своими размерами и красотой. Первоначально здание имело прямоугольный план размером 32х34 м, с двадцатью внутренними четырехгранными колоннами и несущими арку и деревянную крышу, пол был деревянный, залитый известковым раствором. Со всех сторон каменные оштукатуренные стены храма были укреплены наружными контрфорсами. Фундамент глубиной до 2 м покоился на грунте уплотненном дубовыми сваями, а стены и углы здания были укреплены наружными дубовыми сваями, заложенными в толщину стен. С южной стороны находилась алтарная ниша-михраб, обрамленная богатой орнаментальной резьбой. Внутренний зал освещался окнами. Главный вход был с северной стороны. К северной стороне примыкал минарет: В таком виде мечеть просуществовала около полувека. В конце XIII начале XIV века почти разрушенная Соборная мечеть была восстановлена. Кладка новых стен производится на более прочном растворе с добавлением каменной крошки. Внутри настилается новый пол. В западной и восточной стенах пробиты центральные и симметричные им оконные проемы. Старые четырехгранные столбы заменяются на 36 восьмигранных колонн. Сами колонны не сохранились, но одну из них удалось собрать из оставшихся блоков, обнаруженных внутри храма. Общая высота 2,5 м. Во время разрушения города Булак-Тимуром в 1361 году, Соборная мечеть была сильно повреждена. Деревянный пол был заменен полом из забутовки, залитым известковым раствором. Ко всем четырем стенам здания были пристроены многогранные крепостные башни.
Причину появления их следует связывать с оборонительными функциями главного храма, служившего убежищем на случай осаждения города неприятелем. Согласно традициям восточно-мусульманской средневековой архитектуры крепостные башни имелись не только в крупных соборных мечетях, но и в караван-сараях, дворцах и т.д. К этому времени относится пристройка, ко всем трем входам внутренних тамбуров, заделка декоративных ниш на боковых фасадах, ликвидация вокруг здания деревянных построек и кладбища, на случай оборонного и противопожарного резерва с деревянной частью города. Построенная из белого известняка на возвышенности Соборная мечеть доминировала над окружающими постройками. С ее башен открывался чудный вид на побережье, оно просматривалось на десятки километров. Своим видом она привлекала восхищенные взоры чужеземцев, плывущих на судах по Волге. Укрепленный храм с 24 метровым минаретом служил главной мечетью.
По материалам кладки, техническим приемам мечеть аналогична постройкам Закавказья, Крыма, Малой Азии. В то же время в архитектуре Соборной мечети нашли отражение мотивы, присущие Средней Азии, а также мотивы природно-климатических и строительных условий.
Поэтому архитектура Соборной мечети и других памятников Болгарского городища составляет своеобразную ветвь восточного зодчества, сложившуюся в условиях севера. Памятник неоднократно исследовался учеными. Последние раскопки, проводились А.П. Смирновым в связи с реставрацией памятника в 1964-1965 гг. В 1964-1967гг. руины Соборной мечети были подвергнуты консервации и фрагментарной реставрации в пределах сохранившейся высоты. Памятник был очищен от более поздних напластований на глубину 1,5-2 м до уровня первоначальной древней поверхности. Стена здания немного надстроена реставрационной кладкой. Поверхность стен обработана специальным раствором. С северо-востока угловая башня была оставлена в обнаруженном виде для музейного показа, над ней устроен железобетонный навес, для защиты от атмосферных осадков. Формы и размеры навеса подчинены общему силуэту руин и композиционно уравновешивают высоту этой башни с тремя другими. Обкладка башен производилась из искусственных блоков. Реставрационная и древняя кладки несколько отличаются друг от друга, а швы между ними выполнены полосой розового цвета раствора. В двух местах с внутренней стороны установлены смотровые ниши, над ними нависают железобетонные защитные козырьки, служащие водоотводами. Верхний слой пола укреплен заливкой серым цементным раствором, сверху насыпана выравнивающая подсыпка щебнем. Среди блоков, найденных в культурном слое интересным является основание юго-западного окна. Рядом с древними, потерявшими четкость, резьбы камнями были установлены искусственные, восстановленным рисунком.
Большой минарет
К северной стене Соборной мечети примыкает выступ - это фундамент Большого минарета, изображение которого сохранилось на старых рисунках, и чертежах. Ценное описание памятника сделал П.С. Паллас в 1769 г.: «Знатнейшая из оных башен или мизгирь сделана из отесанных камней несколько выше 12 сажен. На оную входят по крутой лестнице с 72 ступенями, из коих каждая в парижский Фут вышиной. Сию лестницу починили и башню покрыли деревянной крышей». Большой минарет представлял собой 2 4-х метровый столб, состоящий из верхнего малого и нижнего большого цилиндров. Нижний цилиндр через восьмигранный ярус переходит в квадратное основание размером 5х5м. Внутри вела винтовая лестница, которая освещалась 6-ю небольшими окнами. На средней высоте его была арабская надпись-изречение из Корана.
По указу Петра I Большой минарет был отремонтирован, однако до наших дней не сохранился (упал в1841г.). Не задолго до падения его наблюдал английский ученый Э. Турнерелли.