Улу-джами расположена в квартале базаров внутри городской стены, в северо-западной части старого города. Как и во многих других раннемусульманских памятниках Кайсери, ее пол изначально оказался на 2 метра ниже уровня земли, – «вкапывая» здание, архитекторы придавали ему больший запас прочности. Такой перепад уровней снаружи и внутри, необходимость спускаться в помещение по лестницам исключают единство молитвенного зала и двора, присутствовавшее в арабских мечетях и композиционно воспроизводившееся, например, в мечетях Артукидов. Данишмендидская модель мечети и не подразумевает двора и сводится только к просторному вытянутому молитвенному залу; вернее – двор «втягивается» под перекрытия молитвенного зала, в результате чего зал уже не может довольствоваться тремя поперечными нефами и превращается в продольно вытянутую базилику.

      В данном случае пятинефная мечеть имеет размеры 47,5 м по оси михраба и 27 м по стене киблы; северная часть зала оказывается шире из-за необычной постановки минарета, четырехугольное основание которого выступает почти посередине западной стены здания, а лестница расположена внутри помещения вдоль стены. Здание имело плоское деревянное перекрытие, опиравшееся на повышенные аркады, расположенные поперек михрабной оси (за исключением крайних восточных ячеек, где появляются арки, параллельные продольной оси здания), – очевидно, архитекторы Улу-джами стремились акцентировать не ориентацию здания, а расположение рядов молящихся. В качестве опор аркад используются как сложенные из базальтовых блоков квадратные в сечении столбы (в центральном нефе и северной части зала), так и (в крайних нефах) мраморные колонны-сполии с античными и византийскими капителями, из-за разного размера потребовавшие подведения под них плинтов; в некоторых случаях опорами служат конструкции, совмещающие столбы (в т. ч. граненые) и колонны. Опоры трех северных нефов использованы для размещения на них большой Ш-образной галереи для женщин.

      В изначальном плане мечети выделяется центральная ячейка, акцентированная более массивными столбами, между которыми переброшены стрельчатые арки с более высокой, чем в соседних ячейках, стрелой подъема, с профилированными архивольтами на внешних сторонах. Поперечный неф, в центре которого находится данная ячейка, оказывается самым широким, что делает ячейку квадратной. В настоящее время эта ячейка перекрыта небольшим куполом на парусах, однако конструкция свидетельствует о том, что это – более позднее добавление, а первоначально эта ячейка была открытой. Подобные открытые ячейки, оформленные как световые колодцы, позже часто будут появляться в сельджукских мечетях и, как будет показано далее, в виде купола с окулюсом окажутся унаследованы раннеосманской архитектурой;