Според археологическите проучвания и анализи началният период на строителство на синагогата се определя към първата половина на III век и е последван от няколко преустройства, последното от които – от началото на V в. (М. Мартинова).

Синагогата е от базиликален тип. Състои се от три кораба - един централен и два странични. Централният кораб е двойно по- широк от страничните. В него е открита богата декорация, даваща основание да се предполага, че интериорното пространство е било решено с голямо майсторство.

Открити са два мозаечни пода, разположени един върху друг. Мозайките са изработени с голяма вещина и богат колорит. Изображенията по тях са символни за еврейската общност - седмосвещник (менора) и палмова клонка (лулаб). Особен интерес представляват четирите реда надпис на гръцки език, който дава сведения за имената на дарителите и ги определя като представители на многобройната еврейска общност на територията на Античния град.

Синагогата е единствената по рода си култова сграда от този период, открита по българските земи. Това е потвърждение за космополитността на Филипопол още от Античността, със своите жителите от различни етноси и с различна вяра.