معماری و ساختار مسجد علی خان این بنا دارای مساحتی برابر با ۶۰۰ متر مربع است و از دو شبستان و یك صحن تشكیل می شود. شبستان اصلی در محوطه مسجد قرار دارد و سقف آن را با تیر و تیرچه‌ی چوبی منقش كرده اند، همچنین ایوانی زیبا ورودی شبستان اصلی را به طور كامل پوشش داده است. ظاهر ایوان تقریبا به درون مسجد شباهت دارد با این تفاوت كه ستون های داخلی مسجد مدور ولی ستون های ایوان چهار گوش است. صحن این مسجد سقف شبستانی را تشكیل می دهد كه به صورت زیرزمینی ساخته شده و معماری آن با شبستان اصلی متفاوت است. سقف آن از داخل به صورت گنبدی ولی از بیرون مسطح كه با سنگ و گچ پوشش داده شده است. هر دو شبستان به طور مجزا دارای محراب هستند كه البته محراب شبستان اصلی به شكل خاصی متفاوت از سایر قسمت های مسجد گچ بری شده است. تزئینات این مسجد شامل نقاشی های چشم نواز و خیره كننده ای می شود كه با رنگ آمیزی منحصر به فرد بر روی تیرها و تیرچه های سقف همراه است. این نقاشی ها به قالیچه های قدیمی كه اكنون رنگشان رفته است شباهت دارند. دیوارها وستون های شبستان به رنگ سبز ملایم و با طرح برگ نقاشی شده بودند كه در تعمیرات از بین رفته اند. در مجموع استفاده از رنگ لاجوردی به عنوان رنگ زمینه به همراه رنگین كمانی از رنگ های طبیعی فضایی رویایی را در مسجد به وجود آورده است. در این مسجد كتیبه ای دیده می شود كه بر سر در ورودی شبستان نصب شده است و بر روی آن ابیاتی در وصف مسجد و سازنده آن و همچنین در مدح ناصرالدین شاه قاجار دیده می شود.