Bangunan Masjid Besar Xi'an memperlihatkan seni bina tradisional China. Dewan sembahyang terletak di paling barat masjid tersebut. Luasnya masjid tersebut mencapai 12,000 meter persegi. Setelah membuka pintu masjid tersebut, kita akan melihat sebuah gerbang kayu yang tingginya 9 meter. Artifak seperti ukiran batu dan batu bersurat dipamerkan dalam dua bilik panjang yang masing-masing terletak di kedua-dua belah utara dan selatan jalan tengah.

Dua artifak yang disimpan di masjid ini merupakan warisan paling berharga, iaitu sebuah salinan tulisan tangan Al-Quran dan sehelai lukisan yang menggambarkan keadaan di Mekah.