关帝庙是大同唯一的一处元代建筑。主要建筑沿中轴线排列有致，渐次有山门、过殿、东西廊房、主殿。原先在正门之上挂有万字边大牌匾一块，上书：“大义参天”。门前树有雄伟壮观的木构牌坊。牌坊前又分别竖立着高耸入云的旗杆一对及两尊威武凶猛的铁狮子。山门对面曾筑有镌刻精美的拱形元代戏台一座，画栋雕梁，宽阔高大，颇为壮观。

今存关帝庙主殿面阔三间、进深三间，单檐歇山顶，上覆琉璃瓦。殿前置面阔三间、进深两间的抱厦，为清代所增建。大殿没有台基，由平地立柱砌墙。 殿内后端置内柱两根，柱间各置雕刻精细的木质神龛一个，结构均为重檐。檐下斗拱共十一踩，排列密集纯系装饰，为清代结构。殿内清代增置的平棋藻井上绘制的龙形图案，多姿多态，别具一格。