พระอุโบสถ สร้างขึ้นตั้งแต่ครั้งสมัยสมเด็จพระบวรราชเจ้ามหาศักดิพลเสพ ในรัชกาลที่ ๓ ซึ่งมีรูปทรงที่แปลกกว่าพระอุโบสถของวัดทั้งปวง เดิมเป็นพระเมรุของเจ้าจอมมารดาของพระองค์เจ้าดาราวดี พระชายาในสมเด็จพระบวรราชเจ้าฯ ลักษณะเป็นทรงจตุรมุข แต่เป็นอาคาร ๓ หลังต่อกัน คือ หลังคายาวอยู่กลางมุขสั้น ๆ ต่อออกไปทางด้านเหนือ และด้านใต้อีกด้านละมุข กลายเป็นอาคารจตุรมุข ปัจจุบันมุขด้านใด้ไม่มีแล้ว คงเหลืออยู่เพียง ๓ มุข ตัวอาคารเดิม เป็นอิฐก่อถือปูน รูปแบบของพระอุโบสถสร้างตามแบบพระราชนิยมในรัชกาลที่ ๓ มุขหน้าที่ยื่นออกมาเป็นพระอุโบสถ ส่วนปีกยื่นออกซ้ายขวาเป็นพระวิหาร มุขหน้าที่เป็นพระอุโบสถมีเสาเหลี่ยมมีพาไล ตัวพระอุโบสถยังมีซุ้มประตูหน้าต่างเป็นลายปูนปั้นปิดทองที่บานประตูหน้าต่างแกะสลักหัวเสาเป็นลายใบผัดกาดเทศ

พระอุโบสถหลังนี้ ได้รับการบูรณะในสมัยรัชกาลที่ ๔ โดยโปรดฯ ให้มุงกระเบื้องเคลือบลูกฟูก ประดับลายหน้าบันด้วยกระเบื้องเคลือบสี ต่อมาในสมัยที่สมเด็จพระญาณสังวร สมเด็จพระสังฆราชฯ ทรงครองวัด ได้ทรงทำการบูรณปฏิสังขรณ์ประดับหินอ่อนด้านนอกตลอดทั้งหลัง ผนังหน้าพระอุโบสถมีใบเสมาติดอยู่ ด้านหน้าพระแท่นประทับสำหรับพระเจ้าแผ่นดินและพระบรมวงศานุวงศ์ ที่หน้าพระอุโบสถมีใบเสมารุ่นเก่าสมัยอู่ทองทำด้วยหินทรายแดง นำมาจากวัดวังเก่า จ.เพชรบุรี พระอุโบสถหลังนี้ มีรูปแบบที่มีลักษณะเฉพาะต่างไปจากพระอุโบสถทั่วไป เพราะเป็นการผสมกันระหว่างศิลปะแบบพระราชนิยมของรัชกาลที่ ๓ ซึ่งกระเดียดไปทางศิลปะจีนและศิลปะแบบรัชกาล ที่ ๔ ซึ่งเป็นศิลปะที่มีอิทธิพลฝรั่ง จึงทำให้พระอุโบสถหลังนี้มีลักษณะผสมของอิทธิพลศิลปะต่างชาติทั้งสองแบบ แต่ทึ้งหมดตั้งอยู่บนพื้นฐานของศิลปะไทย

สิ่งก่อสร้างหลังใหญ่ที่ตั้งตระหง่านมองเห็นแต่ไกลเป็น ๓ มุข มุขหน้าหันไปทางทิศเหนือ อีก ๒ มุข หันหน้าไปทางทิศตะวันออกมุข ๑ ทิศตะวันตกมุข ๑ หลังคามุงกระเบื้องเคลือบ เป็นอย่างหลังคาลูกฟูกแบบจีน มองดูระยิบระยับตาเมื่อต้องแสงอาทิตย์ ประดับลายหน้าบันแห่งสามมุข และมุขลดด้านหน้า เป็นลายด้วยกระเบื้องเคลือบ ตรงกลางเป็นตราพระมหามงกุฎและพระขรรค์พานรอง ๒ ชั้น ชวนให้ระลึกถึงพระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหามงกุฎ พระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ผู้เคยทรงครองวัดนี้ เมื่อ ๑๐๐ ปีเศษมาแล้ว และผนังภายนอกแห่งพระอุโบสถบุหินอ่อนสีขาวจากอิตาลีทั้งหลัง เสา ๒ คู่หน้าบุหินอ่อนสลักเป็นลอน ประกอบด้วยลายหัวเสาสลักเป็นลายใบผักกาดเทศ แกะเป็นพิเศษจากอิตาลี นั่นคือพระอุโบสถ เมื่อผ่านกำแพงแก้วเข้าไปตรงหน้า จะเห็นใบสีมาศิลาติดอยู่ที่ผนังพระอุโบสถ บนฐานหินแกรนนิตสลักลายวิจิตรจากอิตาลีตั้งอยู่ตรงส่วนกลางเหนือแท่นศิลา ๒ ข้างใบสีมา เป็นหน้าต่างค้างละ ๑ บาน ถัดหน้าต่างเป็นประตูเข้าพระอุโบสถ เมื่อผ่านประตูเข้าไป จะเห็นภาพที่เสาเฉลียงซึ่งอยู่ที่ผนังเป็นรูป ๔ เหลี่ยมโตๆ ตั้งเรียงเป็นแถวไปตามยาวของพระอุโบสถ เมื่อหลีกเสาเข้าไปแล้ว มองลึกเข้าไป จะเห็นพระพุทธรูปองค์ใหญ่ มีส่วนสัดอันงดงาม ประดิษฐานอยู่บนฐานทองบนชุกชีภายในซุ้มสาหร่าย อันมีตราพระมหามงกุฎอยู่ตรงกลางอยู่ตรงกลางซุ้มเบื้องบน พระพุทธปฏิมานี้คือ "พระพุทธชินสีห์" อันเป็นพระพุทธรูปสำคัญคู่บ้านคู่เมืองเช่นเดียวกับพระพุทธชินราช ถัดเข้าไปมีพระพุทธรูปใหญ่มากเรียกกันว่า "พระโต" เบื้องหน้าพระพุทธชินสีห์ มีโต๊ะหมู่บูชา ตั้งอยู่บนฐานชุกชีที่รับฐานพระ ถัดลงมาเป็นม้าหมู่บูชา ๓ ที่ ซึ่งสมเด็จกรมพระยานริศรานุวัดติวงศ์ทรงออกแบบ มีความสวยงามมาก

พระรูปซึ่งประดิษฐานตั้งเรียงกันบนฐานชุกชี คือ พระรูปสมเด็จพระมหาสมณเจ้า กรมพระยาปวเรศวริยาลงกรณ์ สมเด็จพระสมณเจ้า กรมพระยาวชิรญาณวโรรส และสมเด็จพระสังฆราชเจ้า กรมหลวงวชิรญาณวงศ์ ประดิษฐานอยู่ (พระสมเด็จพระสมณเจ้าทั้ง ๒ พระอง๕ เดิมประดิษฐานอยู่ในระหว่างช่องเสาด้านทิศตะวันออกและเริ่มการบูรณะปฏิสังขรณ์ จากนั้นก็ได้เริ่มทำกันซึมที่ส่วนล่างผนังโดยรอบพระอุโบสถ ปิดหินอ่ออนผนังด้านนอกและเสาภายนอกพระอุโบสถ ปูหินภายในและภายนอกด้วยหินแกรนิตเปลี่ยนบานประตูและบานหน้าต่างใหม่ทั้งหมดโดยสลักลวดลายลงบนไม้บานประตูหน้าต่างตามแบบเดิม ซึ่งกรมวิทยาศาสตร์ กระทวงอุตสาหกรรม รับไปดินเนินการให้เป็นกรณีพิเศษ หล่อรูปนาคราวบันไดใหม่ด้วยโลหะ (ของเดิมเป็นรูปปั้น) และปั้นลายกรอบประตูหน้าต่างรอบพระอุโบสถใหม่ทั้งหมดตามแบบเดิม