大同古城-關帝廟的主要建築沿中軸線排列有致,漸次有山門、過殿、東西廊房、主殿。原先在正門之上掛有萬字邊牌匾一塊,上書:「大義參天」。門前豎有雄偉壯觀的木構牌坊。牌坊前又分別豎立著高聳入雲的旗桿一對及兩尊威武兇猛的鐵獅。山門對面曾築有錒刻精美的拱形元代戲台一座,畫棟雕樑,寬闊高大,頗為壯觀。
建築物主殿面闊三間、進深三間,單簷歇山頂,上覆琉璃瓦。殿前置面闊三間、進深兩間的抱廈,為清代所增建。大殿沒有台基,由平地立柱砌牆。 殿內後端置內柱兩根,柱間各置雕刻精細的木質神龕一個,結構均為重簷。簷下鬥拱共十一踩,排列密集純系裝飾,為清代結構。殿內清代增置的平棋藻井上繪製的龍形圖案,多姿多態,別具一格。