Synagoga původně nesla název Nová nebo Velká. Teprve koncem 16. století, se vznikem dalších synagog v ghettu, se pro ni začalo užívat názvu Staronová (německy Altneuschul). Jedna z pražských pověstí vysvětluje toto jméno jinak, základní kameny pro stavbu synagogy prý přinesli andělé ze zbořeného jeruzalémského Chrámu pod podmínkou, hebrejsky al-tenaj, že budou navráceny zpět, až dojde k jeho obnovení.
Exteriér synagogy je prostý, s opěrnými pilíři a trojúhelníkovými štíty zdobenými reliéfy vinné révy. Budova má sedlovou střechu s charakteristickou cimbuřím a dvanácti vikýři, symbolizujícími dvanáct izraelských kmenů. Nad vchodem je umístěn raně gotický tympanon zdobený motivem révy.
Interiér tvoří dvoulodní sál, jehož klenbu nesou dva osmihranné pilíře. Unikátní pětipaprsková žebrová klenba je ve středověké synagogální architektuře zcela ojedinělá, pátý paprsek byl přidán záměrně, aby se předešlo podobnosti s křesťanským křížovým vzorem. Uprostřed sálu stojí bima – vyvýšené pódium s pultem pro předčítání z Tóry, obklopená ozdobnou gotickou mříží z 15. století. Tóra je uchovávána v aron ha-kodeš (schráně na Tóru) u východní stěny. Při severní zdi visí červený prapor pražské židovské obce s Davidovou hvězdou a tradičním motivem klobouku, darovaný obci roku 1716 císařem Karlem VI. Při jižní stěně se nachází vyvýšené sedadlo rabína Löwa, tradičně označované jako místo, kde slavný učenec sedával.
Se stavbou je spjata řada legend. Podle jedné z nejznámějších jsou na půdě synagogy uloženy pozůstatky Golema, hliněné bytosti, kterou vytvořil a oživil rabi Löw na ochranu pražské židovské obce. Jiná pověst praví, že synagogu chránili při požárech andělé proměnění v holubice a skutečně přežila staletí bez vážnějšího poškození. V průběhu let prošla synagoga opravami, z nichž nejvýznamnější provedl architekt Jiří Meitner roku 1883. Za nacistické okupace byly bohoslužby přerušeny a prostory synagogy sloužily jako sklad. Po válce byl náboženský život obnoven a synagoga se vrátila ke svému původnímu poslání.
Staronová synagoga stojí v Červené ulici v Josefově a je přístupná v rámci prohlídkového okruhu Pražského židovského města. Synagoga je uzavřena v sobotu a o židovských svátcích.