Ulu Cami, kesin inşa tarihi net olmamakla birlikte, kentin büyük kilisesi Mar Toma Kilisesi’nin MS 639 yılında camiye çevrilmesiyle ortaya çıkmıştır.
Tarihi boyunca Diyarbakır’da hüküm süren tüm devletler, Ulu Cami’ye büyük önem vermiştir. Büyük Selçuklu hükümdarı Melikşah, Anadolu Selçuklu sultanı Gıyaseddin Keyhüsrev, Akkoyunlu lideri Uzun Hasan ve Osmanlı padişahları ile İnaloğulları, Nisanoğulları ve Artukluların bıraktığı kitabe ve belgeler, caminin çeşitli bölümlerinde günümüze kadar ulaşmıştır.
İslam dünyasında Kâbe, Mescid-i Nebevi, Mescid-i Aksa ve Şam Emeviye Camisi’nden sonra beşinci kutsal mabed olarak kabul edilen Diyarbakır Ulu Cami, planı açısından Şam Emeviye Camisi’nin Anadolu’daki bir yansıması olarak yorumlanır. Cami, ortadaki geniş dikdörtgen avlunun etrafında konumlanan farklı bölümlerden oluşur. Avlunun güneyinde Hanefiler bölümü, kuzeyinde Şafiiler bölümü ve Mesudiye Medresesi, batısında Zinciriye Medresesi, doğusunda ise revaklı bölümler bulunur.
Giriş ve iç mekân
Camiye üç farklı noktadan giriş sağlanır. Doğudaki ana giriş kapısının iki yanında, aslan ve boğanın mücadelesini simgeleyen simetrik kabartmalar yer alır. Orta bölümün tavanı kalem işleriyle süslenmiş olup, Osmanlı dönemi süsleme özelliklerini yansıtan yazı şeritleri de görülür.
Doğu maksuresi
1163-1164 yıllarında İnaloğlu Mahmut ve veziri Nisanoğlu Ali tarafından yaptırılan Doğu Maksuresi’nin üst katı, Osmanlı döneminde kütüphane olarak eklenmiştir. Sütunlar, nakışlarla süslü korint başlıklara sahiptir.
Batı maksuresi
Alt katı 1117, üst katı 1124 yılında İnaloğlu Ebu Mansur tarafından inşa edilen Batı Maksuresi, bazı bölümleri Akkoyunlu hükümdarı Uzun Hasan döneminde onarılmıştır.
Güneş saati
Cami avlusundaki tarihi güneş saati, ünlü bilim insanı El Cezeri tarafından tasarlanmıştır. 900 yılı aşkın süredir zamanı, güneşin hareketiyle oluşan gölge sayesinde gösterir.
Şadırvan
Avlunun ortasında yer alan sekizgen şadırvan, 1849 yılında inşa edilmiştir. Mermer işlemeli sütunlar üzerinde sivri bir kubbeyle kapatılmıştır.
Medreseler
Mesudiye Medresesi: Kesme taşla iki katlı olarak inşa edilmiş ve ortasında kareye yakın bir avlu bulunur. Günümüzde Yazma Eserler Kütüphanesi olarak hizmet vermektedir.
Zinciriye Medresesi: Tek katlı ve iki eyvanlı olarak inşa edilen bu medrese, caminin yanında yer alır ve 1934 yılında Diyarbakır Arkeoloji Müzesi olarak kullanılmıştır.
Hanefiler ve Şafiiler bölümleri
Hanefiler bölümü, külliyenin en eski kısmını oluşturur ve üç sahınlı bir plana sahiptir. Ortada içten kubbe, dıştan kırma çatıyla örtülüdür. Siyah taş ağırlıklı kubbelerdeki kalem işleri mekâna hareket katmıştır.
Şafiiler bölümü ise 12. yüzyılda İnaloğulları döneminde yapılmış olup, Kanuni Sultan Süleyman döneminde Atak Beyi Emir Ahmet Zırki tarafından onarılmıştır.