พระอุโบสถ สร้างขึ้นโดยฝีมือช่างวังหน้าในรัชกาลที่๓   เป็นอาคารตรีมุข  คือมีลักษณะเป็นอาคาร ๓ หลังต่อกัน  คือหลังยาวอยู่กลาง มีมุขหน้าต่อออกไปทางด้านเหนือ  พระอุโบสถหันหน้าไปทรงทิศเหนือ หลังคามุงกระเบื้องเคลือบกาบกล้วย (กาบู) ไม่มีช่อฟ้า ใบระกา หางหงส์  หลังคา ๒ ชั้นซ้อน ชั้นล่างเป็นปีกนกโดยรอบ หน้าบันประดับด้วยกระเบื้องเคลือบและลวดลายปูนปั้นเขียนสี ฐานหน้าบันเป็นลักษณะคล้ายคอสองรองรับหน้าบันประดับลายกระเบื้องเป็นลายดอกพุดตานใบเทศ เนื่องจากเป็นอาคารแบบตรีมุข จึงมีหน้าบันรวมทั้งสิ้น ๓ ด้าน   หน้าบันประดับด้วยปูนปั้นลายดอกพุดตานใบเทศ ตรงกลางหน้าบันเป็นตราพระมหามงกุฎและพระขรรค์ประดิษฐานเหนือพานแว่นฟ้า    ที่มุขด้านหน้าพระอุโบสถตรงกลางทำเป็นพาไลยื่นออกมามีหลังคาคลุมเป็นมุขลด  จึงมีหน้าบันซ้อน ๒ ชั้น   หน้าบันของมุขลดประดับด้วยลายดอกพุดตานใบเทศ  แต่ต่างกันที่กลางหน้าบันเปลี่ยนเป็นรูปเกียรติมุข (หน้ากาล) คาบกระเช้าดอกไม้  ผนังภายนอกบุด้วยหินอ่อนหัวเสาสลักเป็นลายใบผักกาดเทศ (Acanthus) ที่ผนังมุขด้านหน้ามีใบเสมาติดอยู่ที่ผนัง ซุ้มประตูหน้าต่างเป็นปูนปั้นปิดทองลายใบเทศ  บานประตูหน้าต่างด้านนอกแกะสลักปิดทอง  บานหน้าต่างด้านหน้าพระอุโบสถ ๒ คู่ เป็นภาพปริศนาเปรียบเทียบสิ่งที่แสดงความเป็นพระมหากษัตริย์คือเบญจราชกกุธภัณฑ์ กับ สิ่งที่แสดงความเป็นสงฆ์ คืออัฐบริขาร  บานประตูด้านหน้า ๒ คู่ แกะสลักเป็นลายสัตตพิพิธ แก้ว ๗ ประการอันคู่ควรแก่พระมหาจักรพรรดิ์ ได้แก่ จักรแก้ว ช้างแก้ว ม้าแก้ว มณีรัตน นางแก้ว ขุนพลแก้ว  ขุนคลังแก้ว บานประตูหน้าต่างพระอุโบสถนอกเหนือจากด้านหน้านั้นเป็นลายตราประจำตำแหน่งขุนนาง นักษัตร เครื่องราชกกุธภัณฑ์หมวดพระแสง เครื่องราชูปโภค  เครื่องสูง พระมาลา พระราชยาน

พระอุโบสถวัดบวรนิเวศวิหารนี้ สมเด็จพระบวรราชเจ้า มหาศักดิพลเสพทรงสร้างแต่ยังนับว่าไม่บริบูรณ์ เมื่อพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวได้เสด็จมาครองพระอารามนี้ขณะทรงดำรงสมณเพศในรัชกาลที่ ๓ ได้ทรงบูรณะเพิ่มเติม เช่น เขียนจิตรกรรมภายใน  ทำซุ้มสาหร่ายมีตรามงกุฎเบื้องหน้าพระพุทธชินสีห์ ซึ่งกล่าวได้ว่าเป็นตราประจำพระองค์ซึ่งสร้างเป็นแห่งแรกในรัชกาลที่ ๓ เป็นต้น เมื่อเสด็จขึ้นครองราชย์แล้วได้ทรงบูรณะอีก สังเกตได้จากลายพระมหามงกุฎและพระแสงขรรค์ที่หน้าบัน

พระอุโบสถแห่งนี้เดิมผูกพัทธสีมาเพียงมุขหน้า ต่อมาพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเมื่อยังทรงครองพระอารามได้ขอพระราชทานพระบรมราชานุญาตจากรัชกาลที่ ๓ ผูกพัทธสีมาใหม่ทั้ง ๓ มุข  ต่อมาพุทธศักราช ๒๓๙๐ ได้ทรงขยายพัทธสีมาออกไปอีก  โดยกำหนดนิมิต ๖ แห่ง ด้านหน้ากำหนดด้วยรุกขนิมิต คือ ต้นจัน ๒  ต้น  ด้านข้างกำหนดด้วยอุทกนิมิตคือ บ่อน้ำ ๒ แห่ง ด้านหลังกำหนดด้วยปาสาณนิมิต คือหลักศิลา ๒ แห่ง รอบพระอุโบสถล้อมด้วยกำพงแก้วกรุกระเบื้องปรุ

จิตรกรรมภายในพระอุโบสถ

จิตรกรรมฝาผนังภายในพระอุโบสถเป็นจิตรกรรมสมัยรัตนโกสินทร์ตอนต้น ประมาณรัชกาลที่ ๓ - ๔  กล่าวได้ว่าจิตรกรรมฝาผนังแห่งนี้ เป็นยุคที่เริ่มมีการเปลี่ยนแปลงลักษณะของจิตรกรรม  จากแบบไทยประเพณี ซึ่งเป็นภาพ ๒ มิติ แสดงเฉพาะขนาดของภาพในส่วนความกว้างและความยาวเท่านั้นภาพจึงมีลักษณะแบนราบ และเป็นงานในเชิงศิลปะตกแต่งที่เน้นความงามจากการตัดเส้นและปิดทอง มาเป็นจิตรกรรมอิทธิพลตะวันตกซึ่งพยายามที่จะแสดงภาพออกมาเป็น ๓ มิติ  มีการใช้หลักทัศนียวิทยา (Perspective) แสดงระยะใกล้ไกลด้วยขนาด และสีของวัตถุ (Aerial perspective)  การใช้หลักทัศนียวิทยาเพื่อต้องการความสมจริงนี้ กลุ่มภาพจะวางอยู่ประมาณ ๓/๔ ของผนัง  ส่วนตอนบนจะเป็นภาพในระยะไกลออกไป สัดส่วนของภาพตอนล่างของผนังซึ่งเป็นภาพระยะใกล้จะมีขนาดใหญ่  และจะค่อยๆเล็กลงเรื่อยๆ แต่หลักทัศนียวิทยานี้ก็ยังไม่ถูกต้องตามทฤษฎีเพราะในแต่ละห้องภาพจุดรวมสายตา (Vanishing Point) มีมากกว่า ๑ จุดและไม่มีความเป็นเอกภาพ  จุดเปลี่ยนแปลงของงานจิตรกรรมไทยนี้เกิดดนเนื่องจากในรัชกาลพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวนั้น พระองค์ทรงดำเนินนโยบายเปิดประเทศกับชาติตะวันตก  จึงทำให้มีวิทยาการจากตะวันตกหลั่งไหลเข้าสู่ประเทศเป็นอย่างมาก รวมทั้งทางด้านศิลปวัฒนธรรมด้วย  จิตรกรที่สำคัญในสมัยนี้คือ พระอาจารย์อิน (ขรัวอินโข่ง) วัดราชบูรณะ ซึ่งเป็นจิตรกรท่านแรกที่เป็นผู้ริเริ่มและรับวิทยาการเขียนภาพแบบตะวันตกมาใช้  ดังจะเห็นได้จากจิตรกรรมฝาผนังในพระอุโบสถวัดบวรนิเวศวิหารแห่งนี้  ซึ่งต่อมาลักษณะจิตรกรรมนี้ได้เป็นแบบอย่างของสกุลช้างขรัวอินโข่ง

เรื่องราวของงานจิตรกรรมผนังภายในพระอุโบสถนี้ประกอบด้วยเรื่องราวต่างๆดังนี้

๑             ห้องภาพระหว่างประตูหน้าต่าง เป็นเรื่องพิธีทางพระพุทธศาสนาและกิจของสงฆ์

๒            ฝาผนังช่วงบนเหนือประตูหน้าต่าง เป็นเรื่องปริศนาธรรม

๓            เสาภายในพระอุโบสถ  เขียนลายดอกไม้และภาพในกรอบสี่เหลี่ยมที่โคนเสาเป็นปริศนาธรรมเรื่องฉฬาภิชาติ

๔            กรอบด้านข้างซุ้มพระประธานเป็นลายกระบวนจีน

๕            ส่วนหลังพระพุทธรูปเป็นลายประภามณฑลที่ผนังด้านหลังพระประธาน ผนังด้านข้างทั้ง ๒ ข้างห้องพระประธาน  ซุ้มหน้าพระประธานด้านในและคอสองด้านในทั้ง ๔ ด้าน เขียนภาพเทพชุมนุม  ด้านล่างเขียนภาพเจกันดอกไม้

๖             ผนังมุขด้านหลังพระอัฏฐารสเป็นลายดอกไม้ร่วง ผนังมุขด้านอื่นๆเป็นภาพเครื่องประกอบสมณศักดิ์ของพระในลำดับชั้นต่างๆ

๗            ภาพหลังบานหน้าต่างเป็นภาพเครื่องบูชาแบบจีน 

๘            ภาพหลังบานประตูเป็นภาพเขียนสีน้ำมันลายทวารบาลแบบจีน

๙             ผนังบานแผละ เป็นภาพเขียนใหม่เรื่องการปลงอสุภกรรมฐาน

เรื่องราวของภาพจิตรกรรมนั้นยังคงเป็นเรื่องราวทางพุทธศาสนาอยู่  แต่ก็มีความแตกต่างออกไปในเรื่องของเนื้อหา  กล่าวคือภาพจิตรกรรมเดิมนิยมเขียนเรื่องราวที่เกี่ยวกับพุทธประวัติและทศชาติชาดก  แต่ภาพจิตรกรรมในพระอุโบสถวัดบวรนิเวศวิหารกลับเขียนเรื่องปริศนาธรรมซึ่งต้องการชี้ให้เห็นถึงคุณของพระรัตนตรัย คือ พระพุทธ พระธรรม พระสงฆ์  โดยเขียนไปบนผนังตอนบน  และปริศนาธรรมที่เสาในประธาน ๖ คู่ ซึ่งต้องการเปรียบถึงน้ำใจคน ๖ ประเภท ว่าตั้งแต่บุคคลที่มีใจหยาบช้า  เทียบได้กับสีดำ  จนถึงบุคคลที่เปี่ยมไปด้วยกุศลธรรม  สีของใจจะเป็นสีขาวอย่างยิ่ง   ส่วนที่ผนังตอนล่างของพระอุโบสถระหว่างช่องประตูหน้าต่างเขียนเป็นเรื่องราวเกี่ยวกับสภาพชีวิตแบบไทยๆ  เป็นเรื่องราวเกี่ยวกับพุทธศาสนาและการทำบุญสุนทานของชาวบ้าน  เช่น การบวชนาค  กิจวัตรของพระภิกษุสงฆ์  การถวายผ้าจำนำพรรษา  การรักษาศีลในเทศกาลเข้าพรรษา  และอื่นๆเป็นต้น  ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศาสนกิจของพุทธศาสนิกชน และข้อประพฤติปฏิบัติของสงฆ์