Из крепости Кютахьи открывается прекрасный вид на город, что раскинулся на краю одноимённой равнины, у подножия горы Еллидже. За пределы крепостных стен город начал расти при Якуб-бее Гермияноглу, который добился независимости от сельджукидов и сделал Кютахью своей столицей. В те времена через ущелье между Крепостным холмом и холмом Хыдырлык протекала река Капан. На её берегу в 1314 году было построено медресе, основанное эмиром Умуром ибн Савджи, которое стало центром религиозной жизни в городе.
Правители Гермияна продолжали строить мечети и поддерживать улемов даже в смутные времена, когда они лишились прибрежных областей на западе и оказались в самом центре борьбы за влияние в Малой Азии. Когда же Кютахья была передана во владение Баязиду, сыну султана Мурада, рядом с медресе Умур-бея было начато строительство новой мечети.
Случилось это после того, как Сулейман-шах Гермияноглу, желая укрепить отношения с османами, посватал свою дочь Девлет-хатун за сына Мурада Худавендигяра. Их женитьба в 1381 году была предварена визитами знатных и учёных мужей, по итогам переговоров наследный принц Баязид получил в качестве приданого земли от Кютахьи до Симава.
Улу-джами — самая большая мечеть в городе и единственная, построенная османскими падишахами. В дефтере вакуфов Кютахьи она записана как мечеть Йылдырым Баязид-хана. А в вакуфном документе, который был составлен в годы правления Мехмеда Фатиха, указывается, что строительство было завершено его сыном Мусой Челеби в 813/1410 году.
Точность этих сведений вызывает сомнение, потому что в тот период Муса Челеби находился в Румелии и боролся за власть со своим братом Сулейманом. Успех сопутствовал ему лишь в феврале 1411 года, когда он занял Эдирне и провозгласил себя султаном. В самой же Кютахье тогда правил дядя Мусы — Якуб-бей Челеби Гермияноглу.
Дата строительства мечети не упоминается ни в одной из шести надписей, сохранившихся на её стенах. Самая ранняя надпись датируется 961/1554 годом, когда в северо-восточном углу мечети был построен минарет. Произошло это при султане Сулеймане Кануни, когда Кютахьей правил Баязид, сын Сулеймана и Хюррем Хасеки-султан.
В июле 1522 года, во время Родосского похода, Сулейман Кануни на три дня остановился в Кютахье, центре Анатолийского эялета, и приказал архитектору Ходже Синан-аге отремонтировать мечеть. В 1534 году, когда Кануни направлялся в Первый иракский поход, он провёл в городе четыре дня и молился в этой мечети.
В последние годы жизни Сулеймана Кануни Кютахья была резиденцией наследного принца Селима. После смерти Кануни первая хутба от имени султана Селима II была прочитана во дворцовой мечети Кютахьи 27 сентября 1566 года. Перед отъездом в Константинополь, он назначил правителем бейлика своего наставника Лала Хусейн-пашу.
В 1672 году Кютахью посетил знаменитый путешественник Эвлия Челеби. Согласно его описанию, в Улу-джами было три входа и один купол, а деревянный потолок, покрытый свинцом, поддерживался 57 столбами из соснового дерева. Вместе с антресолью, которая доходила почти до михраба, мечеть вмещала две тысячи молящихся.
В мухарраме 1114/мае 1702 года были обновлены свинцовая кровля и шпиль минарета. Работы были оплачены вакфом при мечети, и в сохранившемся договоре с мастерами отмечается, что «крыша не должна пропускать ни капли воды». В 1209/1794 году мечеть снова нуждалась в ремонте, но на этот раз вакф обратился за помощью к вали.
В начале XIX века мечеть несколько раз реставрировали, но лишь частично, и только при султане Абдул-Хамиде II были найдены средства для её основательной реконструкции. В 1889 году здание было полностью снесено, и на его месте была построена новая мечеть из тёсаного камня. Строительные работы были завершены в 1893 году.
Улу-джами имеет прямоугольный план (48х26 м) и три входа. Северный фасад украшен четырьмя арочными окнами разных размеров, а дверь в центральной арке открывается в передний зал, накрытый небольшим куполом посередине. Напротив находится сакахане — питьевой павильон, который также используется для омовения перед молитвой.
Боковые фасады украшены высоко поднятыми на цоколях порталами с мраморными колоннами и арочными проёмами, в форме балдахина. По обе стороны от них выдаются контрфорсы, которые изящно оформлены карнизом, фризом и башенками. К южной и западной стенам мечети раньше прилегало кладбище, на месте которого сейчас разбит парк.
Два ряда колонн, привезённых из развалин античного Айзаноя, делят главный зал на три нефа. Центральный неф, самый широкий, перекрыт двумя большими куполами и двумя полукуполами с северной и южной сторон. Каждый из боковых нефов несёт на себе два небольших купола и два полукупола. Свод мечети выложен из кирпича и снаружи покрыт свинцовыми пластинами.
Махфиль для женщин находится в задней части главного зала и подпирается выстроившимися в ряд колоннами. Лестницы, ведущие на эту антресоль, расположены по обе стороны от входа в главный зал. Центральная секция махфиля выделяется парапетом и фронтоном, которые великолепно декорированы растительными узорами и арабской вязью.
Посреди зала, под ближайшим к входу большим куполом, установлен питьевой фонтанчик из мрамора — шадирван. Бассейн вокруг фонтана окружён шестью мраморными колоннами, на которых держится махфиль для муэдзина. Потолок над шадирваном украшен полихромным деревянным панно с геометрическим орнаментом и цветочными вкраплениями.
Солнечный свет проникает в молитвенный зал через окна в куполах и два горизонтальных ряда арочных окон в стенах. Окна есть и в стене просторного айвана, в котором разместился расписной михраб с мукарнами и изображением Каабы на фронтоне. Ниша михраба располагается не по центру айвана, а отклонена немного влево от продольной оси мечети.
Деревянный минбар изготовлен без единого гвоздя и датируется предположительно XV веком. На стене айвана рядом с минбаром висит небольшое керамическое панно с изображением Заповедной мечети и Каабы. Это панно и декоративные керамические плафоны — единственные образцы знаменитой кютахийской керамики в интерьере Улу-джами.
Росписи на стенах, пандативах и куполах выполнил Текирдаглы-заде Халиль-эфенди, чьи работы сохранились и в других мечетях Кютахьи. На внутренней поверхности одного из главных куполов каллиграфической вязью записана сура «Аль-Ихлас», а другого — повторяющийся четыре раза аят «Скажи: «Каждый поступает в соответствии со своим характером».
В мечети есть библиотека, основанная в конце 1226/1811 года османским дипломатом и государственным деятелем Мухаммад-Амином Вахид-пашой. Он прожил в Кютахье около полутора лет, а после того, как получил назначение в Константинополь, подарил мечети 217 книг, которые поначалу лежали на полках рядом с михрабом.
Спустя год в правой части переднего зала была построена отдельная комната, где по настоянию Вахид-паши шесть дней в неделю (кроме пятницы) работали два библиотекаря. Они получали ежемесячное жалование, а в случае утери книги должны были возместить её стоимость. В настоящее время фонд библиотеки включает более 3085 ценных рукописей и свыше 4100 старинных книг.