Arhitektura džamije pripada tipu jednoprostorne kubične građevine sa kupolom i minaretom. Masivnih zidova i sa malo otvora, građena je od kamena, a neki segmenti izvedeni su u opeci i kamenu. Građevina je kvadratne osnove, dok osmostranu kupolu nose istočnjački potkupolni lukovi i niše – trompe, sa skromnom dekoracijom konzola. Neujednačen je broj prozorskih otvora na fasadama, dok se po jedan nalazi na svakoj strani tambura kupole. Potkupolni nosači i svi otvori na građevini završavaju se karakteristično orijentalnim prelomljenim lukovima. Sa spoljne severozapadne strane postavljeno je minare – uska kula kupastog krova, sa kružnom terasom pri vrhu, sa koje mujezin poziva vernike na molitvu. Naspram ulaza, u unutrašnjosti džamije nalazi se najsvetiji prostor – mihrab, plitka niša sa raskošnim ukrasom svoda, postavljena u pravcu svetog grada Meke ka jugoistoku, dok je uzdignuta drvena propovedaonica (minber ili mimbar) postavljena desno od mihraba, u jugozapadnom uglu. Nad ulazom je drvena galerija (mahfil) sa koje se dospeva i do šerefe, terase na minaretu.
Unutrašnja dekoracija džamije je veoma skromna. Zidovi su neomalterisani sa plitkim profilacijama, retkim stilizovanim floralnim i geometrizovanim motivima i kaligrafskim natpisima stihova iz muslimanske svete knjige Kurana, zatim imenima prvih pravednih verskih poglavara kalifa, kao i božjih veličanstvenih osobina i imena, ispisanih arapskim pismom na posebno ukrašenim rezbarenim pločama levhama. Pred ulazom u džamiju je postojao i zasvedeni arkadni trem sa tri manje kupole. U dvorištu se nalazi česma za molitveno umivanje, kao i verska škola (medresa) sa bibliotekom. Bajrakli džamija predstavlja glavni islamski kulturni centar u Beogradu. Danas je pomalo skrivena u ambijentu viših stambenih objekata u Gospodar Jevremovoj ulici.
Zbog starine, retkosti, očuvanosti izvorne namene, kao i reprezentativnosti verske arhitekture i islamske kulture stavljena je 1946. godine pod zaštitu države kao spomenik kulture, a 1979. godine utvrđena za kulturno dobro od velikog značaja.
