
Synagoga má obdélníkový tvar na východě ukončeným oblou kamennou podezdívkou. Hlavní sál pro 118 mužů měl rozměr 7,5 na 13 metrů. V interiéru jsou vyznačeny různé etapy přestavby budovy. Ženskou galerii pro 80 žen nese šestice žulových sloupů. Na ženské galerii se dochovala výmalba ze dvou etap vývoje stavby – nejstarší „květinová“ výmalba a pozdější pseudogotické malby. Do mužské části se vcházelo podélnou chodbou z ulice, na ženskou galerii byl zvláštní vchod a schodiště. V mužské části je expozice historie Židů v Polné, na ženské galerii expozice Příběh Leopolda Hilsnera.
Dostavbou patra sousedního domu v roce 1717 vznikl židovský obecní dům a sídlo rabína. V tomto domě byla v prvním patře zimní modlitebna s třiceti místy, označována jako „malá synagoga“. Z původního barokního vzhledu synagogy se zachovala čtyři okna s lomeným obloukem a fragment nejstarší ornamentální výmalby, odkrytý při rekonstrukci v roce 1998. Jako modlitebna přestala synagoga sloužit v roce 1943. Nacisté budovu užívali jako sklad zabaveného židovského majetku, který měl posloužit jako exponáty pro připravované Muzeum vyhynulé rasy. V roce 1951 koupila budovu Církev čs. husitská, ale nikdy ji k bohoslužbám nevyužila. Budova poté léta sloužila jako skladiště barev a umělých hnojiv a o technický stav budovy se dlouho nikdo nestaral. V roce 1968 se probořil strop a za rok spadla střecha. Synagoga bez střechy se stala místem černé skládky. Ruiny měly být zbořeny, naštěstí k tomu díky listopadu 1989 nedošlo. Obnovu synagogy zajistil Klub Za historickou Polnou – vyčistil místo, dozdil zborcené zdi a zajistil zastřešení. V roce 1994 vrátilo město budovu Federaci židovských obcí v Praze. Rekonstrukce do dnešní podoby proběhla v letech 1996–2000. Obnovená synagoga byla otevřena jako muzeum v září 2000..