Synagoga powstała jako budynek parterowy, dopiero w XIX dobudowano piętro oraz dwa alkierze. Sala główna przykryta jest sklepieniem kolebkowo - krzyżowym, podpartym czterema kolumnami. Cały budynek przykryty jest dachem łamanym polskim. Wyjątkowa jest frontowa elewacja budynku, bogata i przypominająca typową elewację pałacową.

W bezpośrednim sąsiedztwie wielkiej synagogi znajdują się dwa mniejsze, XIX- wieczne, piętrowe budynki w stylu klasycystycznym: synagoga mniejsza oraz dom pokahalny.

Żydzi mieszkali we Włodawie co najmniej od XVI wieku, a po masakrze jaką urządzili kozacy Chmielnickiego w 1648, wspólnota odrodziła się szybko - dzięki przywilejom nadanym przez właścicieli Włodawy, miedzy innymi otrzymali oni wówczas prawo do budowy synagogi. To właśnie na jej miejscu, sto lat później, wybudowano istniejącą do dzisiaj Synagogę Wielką.

Rozwijającą się szybko grupę żydowskich mieszkańców Włodawy (w okresie zaborów udział w zaludnieniu miasta wzrósł z połowy do dwóch trzecich, a w 1939 ciągle stanowili większość, bo 60 proc. mieszkańców) Niemcy prawie zupełnie wyniszczyli  w czasie Drugiej Wojny Światowej (większość z garstki ocalałych to ci, którzy uciekli w 1939 do sowieckiej strefy okupacyjnej). Żydowskie zabytki nie zostały co prawda zniszczone, ale mocno zaniedbane i zdewastowane (Niemcy w synagodze wielkiej urządzili magazyn).

Odbudowana i przywrócona do stanu świetności synagoga została dopiero w latach 1983-86, po czym umieszczono tu siedzibę Muzeum Pojezierza Łęczyńsko-Włodawskiego. Od 1990 roku funkcjonuje tu także wystawa poświęcona włodawskim Żydom.