از آثار ارزشمند دوره اسلامي است كه گنبد خانه آن در قرن سوم هجري قمري ساخته شده است. اين بناي مذهبي، اعتقادي از زمان ساخت تاكنون همواره مورد استفاده بوده و در دوره‌هاي مختلف علاوه بر تعمير، محلقات وسيعي شامل شبستانهاي جانبي و شمالي به آن افزوده شده است. اين اثر فرهنگي و تاريخي در محله دو دانگه (خيابان جعفري) شهر بروجرد قرار دارد و به شماره 228 در فهرست آثار ملي ايران به ثبت رسيده است.

براساس بررسی‌های باستان‌شناسان، بنای اولیه مسجد جامع بروجرد به قرون دوم تا سوم هجری قمری تعلق دارد و از آتشکده‌ای نیمه‌ویران از دوره ساسانی به مسجد تبدیل شده است. بعد از ورود اسلام به ایران و رسمی‌شدن آن، به‌طور طبیعی بسیاری از مکان‌های مذهبی زرتشتی و آتشکده‌ها تبدیل به مسجد شدند که مسجد جامع بروجرد نیز یکی از آن‌ها بود. 

بین سال‌های ۱۵۰ تا ۲۲۶ هجری قمری و در زمان حکومت ابودلف بر غرب ایران، ساخت مسجد جامع بروجرد با حضور وزیر وی با نام حموله بن علی بروجردی در دستور کار قرار گرفت. شبستان شمالی مسجد نیز اندکی دیرتر و در قرن چهارم ساخته شد. با توجه به تاریخ طولانی (دوازده قرن) این مسجد، آسیب‌های متعددی بر آن وارد شده و بارها مورد بازسازی قرار گرفته‌ است.

محوطه‌سازی مسجد در قرون چهار و پنج هجری قمری و نیز الحاقات و تعمیرات آن بر طبق کتیبه‌های موجود، در سال‌های ۱۰۲۲، ۱۰۶۹، ۱۰۹۲ و ۱۲۰۹ هجری قمری صورت گرفته‌ است. متن فرمان شاه عباس دوم صفوی بر بالای ورودی غربی قرار دارد که تاریخ ۱۰۲۲ هجری قمری را نشان می‌دهد. کتیبه‌ای منظوم نیز بر منبر گنبدخانه وجود دارد که سال ۱۰۶۸ هجری قمری روی آن حک شده است. از دیگر آثار تاریخ‌دار در این مسجد می‌توان به یکی از درهای مسجد در محل اتصال شبستان غربی به گنبدخانه با تاریخ ۱۰۹۲ هجری قمری و دو لوح سنگی در طرفین ایوان مسجد با تاریخ ۱۲۰۹ هجری قمری اشاره کرد.

مسجد جامع در زمان سلجوقیان آباد بود و اعتبار زیادی داشت. در همین دوره تزییناتی به بنا افزوده شد. تزیینات مسجد بر پایه آجر هستند و در حد مختصری تزیینات کاشی‌کاری و گچ‌بری در آن به چشم می‌خورد. 

سفالینه‌های مکشوفه از استمرار فعالیت‌های ساختمانی در مسجد و تعمیر و بازسازی آن از قرن سوم تا قرن یازدهم هجری قمری حکایت دارند. اوج رونق مسجد به دوره سلجوقیان برمی‌گردد. لایه‌های شناسایی‌شده در عمق ۲۳۰ سانتی‌متری کف فعلی گنبدخانه نشانه وجود بنایی از قرون اولیه هجری قمری هستند. پس از این دوره، با احداث ستون‌های آجری و طاق‌ها و تویزه‌های خشتی، کف گنبدخانه تا سطح فعلی آن بالا آورده‌ می‌شود. با توجه به هم‌سطحی کف فعلی گنبدخانه با شبستان‌های طرفین آن، می‌توان احداث این دو شبستان را هم‌زمان با بالاآوردن کف گنبدخانه دانست.

در دوره ایلخانی آسیب زیادی به مسجد وارد شد که در ادامه تعمیر و بخش‌هایی به آن اضافه شد. این بخش‌ها شامل تعمیر گنبد، احداث ایوان و شبستان‌های شرقی، غربی و شمالی بود.

کشف چهار سکه نقره با تاریخ‌های ۸۵۱ و ۸۵۳ هجری قمری در شبستان غربی این احتمال را تقویت می‌کند که شبستان‌های مذکور در نیمه دوم قرن نهم هجری قمری ساخته شده باشند. بعدها فضای خالی زیر گنبدخانه را پر و طاق‌های خشتی آن را خراب کردند که با توجه به کشف سکه‌ای با تاریخ ۱۱۲۴ هجری قمری در این محل، می‌توان این اقدامات را به اوایل قرن دوازدهم هجری قمری نسبت داد. در سال ۱۲۰۹ هجری قمری، تقی خان رازانی، حاکم بروجرد در دوره فتحعلی شاه قاجار، ایوان و مناره‌های طرفین آن را احداث و به گنبدخانه ملحق کرد.

بعدها در دوره جنگ ایران و عراق نیز خسارات بسیاری به بنای اصلی مسجد وارد و بخش‌هایی از شبستان شمالی آن ویران شد. در سال ۱۳۸۵ در حالی که بنای مسجد تحت مرمت بود، زلزله‌ای مهیب باعث آسیب به بنا شد و گلدسته‌های آن فرو ریخت. با نظر کارشناسان اقدامات مرمتی روی مناره‌های مسجد انجام گرفت و با الهام از طرح مقاوم‌سازی لرزه‌ای بازسازی شد.