Na počátku 17. století prošla synagoga rozsáhlou přestavbou stavitel Juda de Herz přidal ženskou galerii, předsíň a vstupní halu. Stavba nese znaky pozdní gotiky s raně renesančním portálem. Hlavní prostor prosvětluje pět oken s kamennými kružbami, stěny zdobí opěrné pilastry a malba imitující renesanční štuk. Uprostřed lodi stojí kamenná bima obestřená rokokovou mříží s motivem Davidovy hvězdy a židovského klobouku, darovanou Joachimem Popperem. Po stranách schrány na Tóru (aron ha-kodeš) jsou vyznačena jména ghett a koncentračních táborů, do nichž směřovaly transporty z českých zemí.
V letech 1955–1960 byla synagoga přeměněna na Památník obětí šoa. Z iniciativy první poválečné ředitelky muzea Hany Volavkové pokryli malíři Václav Boštík a Jiří John stěny celého interiéru jmény, daty narození a úmrtí téměř 80 000 českých a moravských Židů, kteří zahynuli za druhé světové války. Vznikl tak jeden z nejstarších a nejpůsobivějších památníků šoa v Evropě. Po sovětské invazi roku 1968 byl památník komunistickými úřady uzavřen a nápisy záměrně zničeny. Obnova trvala desetiletí a plně zrekonstruovaná synagoga byla znovu zpřístupněna teprve roku 1995.
V prvním patře je instalována stálá expozice dětských kreseb z ghetta Terezín (1942–1944). Tato unikátní sbírka čítá 4 387 kreseb, které v ghettu vznikly pod vedením výtvarnice Friedl Dicker-Brandeis a zachycují každodenní život, vzpomínky na domov i sny dětí uvězněných za jeho zdmi. Přes deset tisíc dětí mladších patnácti let prošlo terezínským ghettem, pro mnohé z nich jsou tyto kresby jedinou dochovanou stopou. Od roku 2025 je sbírka zapsána do Mezinárodního registru Paměť světa UNESCO.
Synagoga se nachází na adrese Široká 3, Praha 1 a je součástí vstupenky na prohlídkový okruh Pražského židovského města. Zájemci o rodinnou historii nebo o osudy jednotlivých obětí šoa mohou využít digitální databázi dostupnou na adrese pinkas.jewishmuseum.cz, která obsahuje jména obětí i dostupné digitalizované dokumenty.