Khi xây dựng, Đại kim tự tháp cao 280 cubit hoàng gia Ai Cập (146,5 mét hay 481 ft), nhưng vì bị ăn mòn và bị mất trộm phiến đá trên đỉnh (chóp tháp) chiều cao hiện tại là 455,21 ft, tương đương 138,75 m. Như đã được chứng minh trong nhiều văn tự trên giấy cói[cần dẫn nguồn], mỗi cạnh đáy thời xưa dài 440 (20,63 inch) cubit hoàng gia. Vì thế, cạnh đáy nguyên thủy dài 231 m mỗi phía và chiếm khoảng diện tích xấp xỉ 53.000 mét vuông với góc 51,7 độ— gần mức lý tưởng cho một kết cấu kim tự tháp ổn định. Ngày nay mỗi cạnh dài khoảng 230,36 mét. Kích thước giảm và vẻ ngoài thô hiện nay vì nó đã mất những tấm đá bóng ốp bên ngoài, một số tấm có kích thước lên tới hai mét rưỡi chiều dày và nặng hơn 15 tấn.

Trong thế kỷ 14 (năm 1301), một trận động đất lớn đã làm nhiều tấm đá ốp ngoài rơi ra, sau đó chúng bị Vua Hồi giáo Bahri An-Nasir Nasir-ad-Din al-Hasan mang đi năm 1356 để xây dựng các đền thờ Hồi giáo và các pháo đài tại Cairo gần đó; tới ngày nay, vẫn có thể thấy các tấm đá đó tại các công trình đó. Những nhà thám hiểm sau này đã thông báo về nhiều đống vật liệu vụn nát ở đáy các kim tự tháp hậu quả của sự sụp đổ tấm ốp sau đó và cuối cùng chúng đã bị dọn dẹp cho các cuộc khai quật. Tuy vậy, hiện nay ta vẫn thấy nhiều tấm đá ốp quanh đáy Đại kim tự tháp cho thấy tài nghệ xây dựng và ở đúng vị trí như đã được miêu tả trong hàng thế kỷ trước đó.

Những đo đạc kim tự tháp chính xác đầu tiên được Sir Flinders Petrie tiến hành năm 1880–82 và xuất bản trong cuốn Các kim tự tháp và các đền Gizeh[15]. Hầu như tất cả các báo cáo đều dựa trên những con số này. Petrie khám phá rằng kim tự tháp được định hướng 4' Tây bắc và kim tự tháp thứ hai cũng được định hướng tương tự. Petrie cũng khám phá ra sự định hướng khác biệt giữa lõi và vỏ ngoài (– 5'16" ± 10"). Petrie cho rằng việc tái xác định phương bắc đã được tiến hành sau khi hoàn thành phần lõi và bị lỗi, vì thế vỏ ngoài được xây theo hướng khác. Sự lệch hướng bắc này của lõi, tương đương với vị trí của các sao b-Ursae Minoris và z-Ursae Majoris khoảng 3.000 năm trước, đã tính đến sự tiến động của trục Trái Đất. Một cuộc nghiên cứu do nhà Ai Cập học Kate Spence tiến hành cho thấy những sự thay đổi về hướng của 8 kim tự tháp tương đương với những sự thay đổi vị trí của các ngôi sao đó theo thời gian. Điều này giúp xác định niên đại bắt đầu xây dựng kim tự tháp là năm 2467 TCN[16].

Trong bốn thiên niên kỷ đây là công trình cao nhất thế giới, và tiếp tục giữ vị trí này cho tới khi tháp Thánh đường Lincoln cao 160 mét được hoàn thành năm 1300. Độ chính xác trong xây dựng của kim tự tháp đạt tới mức bốn cạnh đáy có độ lệch trung bình chỉ là 50 mm chiều dài, và 12 giây góc so với một hình vuông chuẩn. Các cạnh hình vuông gần thẳng hàng với bốn điểm la bàn thứ tự tới trong 3 phút cung và dựa trên cực bắc thực chứ không phải cực bắc từ.

Kim tự tháp được xây dựng bằng những khối đá vôi, bazan hay hoa cương đã được đẽo gọt. Lõi được làm phần lớn bằng những khói đá vôi thô chất lượng thấp khai thác từ mỏ phía nam kim tự tháp Kheops. Những khối đá này nặng trung bình từ hai tới bốn tấn. Ước tính 2,4 triệu khối đã được sử dụng cho công trình. Các khối đá vôi chất lượng cao được sử dụng làm tấp ốp ngoài, một số khối có trọng lượng tới 15 tấn. Đá vôi được lấy từ Tura, khoảng 8 dặm từ phía bên kia sông Nil. Mỏ đá hoa cương có khoảng cách gần 500 dặm tại Aswan với những khối nặng tới 60-80 tấn, được sử dụng cho các cánh cổng và các căn phòng.

Tổng khối lượng kim tự tháp được ước tính khoảng 5,9 triệu tấn với thể tích (gồm cả một đồi nhỏ bên trong) khoảng 2.600.000 mét khối. Kim tự tháp là công trình lớn nhất Ai Cập và cao nhất thế giới (một kết cấu mới được khám phá ở Bosna có thể cao hơn). Chỉ Đại kim tự tháp Cholula tại Puebla, México có trọng lượng nhỏ hơn, nhưng có thể tích lớn hơn.

Khi hoàn thành, Đại kim tự tháp được ốp ngoài bởi các phiến 'đá ốp' trắng– nghiêng, nhưng có đỉnh phẳng, được mài rất trắng. Nhờ vậy công trình tỏa sáng rực rỡ dưới ánh mặt trời và thậm chí cả trong đêm với ánh trăng mọi người cũng quan sát thấy nó từ các ngọn núi phía nam Ai Cập, với khoảng cách 200 dặm (300 km). Hiển nhiên ngày nay mọi thứ còn lại chỉ là lõi kim tự tháp kiểu bậc thang, nhưng nhiều phiến đá ốp vẫn có thể được thấy xung quanh đáy. Các phiến đá ốp Đại kim tự tháp và Kim tự tháp Khafre (được xây dựng ngay bên cạnh) được cắt chính xác tới mức trên toàn bộ diện tích bề mặt chúng chỉ lệch khỏi mặt phẳng thực 1/50 inch. Chúng được gắn vào nhau hoàn hảo tới mức tới tận ngày nay ta cũng không thể nhét được một mũi dao vào giữa khe nối.

Đại kim tự tháp có cách bố trí bên trong khác với các kim tự tháp khác trong vùng. Số lượng đường đi và phòng lớn nhất, các chi tiết được hoàn thiện tinh vi, độ chính xác trong xây dựng đều là những điểm phân biệt giữa chúng. Các bức tường trong toàn bộ kim tự tháp đều trơn và không được khắc chữ, nhưng có những câu khắc — hay nói chính xác hơn là chữ viết trên tường — được cho là do các công nhân viết lên các phiến đá trước khi chúng được ráp với nhau. Tất cả năm phòng phụ (relieving chamber) đều có khắc chữ. Đoạn nổi tiếng nhất là đoạn nhắc tới tên Kheops; viết "năm 17 triều Kheops". Dù một số học giả lại đưa ra ý kiến khác, bởi khi xét đến vị trí tạm thời của nó thì khó có thể tin rằng nó đã được khắc sau khi xây dựng; thậm chí Graham Hancock đã chấp nhận điều này, sau khi Tiến sĩ Hawass cho phép ông nghiên cứu đoạn văn. Một đoạn khác nói về "những người bạn của Kheops", và có thể từng là tên của một trong những toán thợ. Dù nó không phải là một bằng chứng không thể phủ nhận về việc Kheops là người đầu tiên ra lệnh xây dựng Đại kim tự tháp, tuy nhiên nó thật sự xóa bỏ nghi vấn về việc ít nhất ông có tham gia vào một số công đoạn xây dựng (hay những công việc sửa chữa công trình sau này) trong thời cai trị của mình.

Có ba phòng bên trong Đại kim tự tháp. Chúng đều được bố trí ở vị trí trung tâm, trên trục đứng của kim tự tháp. Phòng thấp nhất ("phòng chưa hoàn thiện") được đục vào đá xây kim tự tháp. Phòng này là phòng lớn nhất, nhưng hoàn toàn chưa hoàn thành, chỉ mới được đục thô vào đá.

Phòng giữa, hay Phòng Nữ hoàng, là phòng nhỏ nhất, có kích thước khoảng 5,74 × 5,23 mét, và cao 4,57 m. Bức tường phía đông phòng có một ô cửa góc hay hốc tường lớn, và hai ống thông hơi hẹp, chỉ rộng khoảng 20 cm, kéo dài từ phòng này đến bề mặt ngoài kim tự tháp, nhưng bị các "cánh cửa" đá vôi chặn ở nhiều đoạn. Nhà Ai Cập học Mark Lehner tin rằng Phòng Nữ hoàng được dự định dùng làm một serdab— một cấu trúc được tìm thấy trong nhiều kim tự tháp Ai Cập khác— và rằng hốc tường có lẽ đã từng chứa một pho tượng. Người Ai Cập cổ đại tin rằng tượng sẽ được dùng làm một con tàu "dự trữ" cho Ka (linh hồn) của pharaoh, nếu xác ướp bị phá huỷ. Tuy vậy, mục đích thực sự của căn phòng vẫn còn là điều bí ẩn.

Ở cuối hoàng loạt những lối dài dẫn vào trong kim tự tháp là cấu trúc của phòng chính Phòng Hoàng đế. Phòng này ban đầu có kích thước 10 × 20 × 5V5 cubit, hay khoảng 17 × 34 × 19 ft, gần kiểu hình khối kép.

Các đặc điểm chính khác của Đại kim tự tháp gồm Phòng trưng bày lớn, quan tài được tìm thấy trong Phòng Hoàng đế, cả các lối lên và lối xuống, và phần thấp nhất của "phòng chưa hoàn thiện" bên trên.

Phòng trưng bày lớn (49 × 3 × 11 m) có đặc điểm ở thiết kế kiểu tay đòn đỡ khéo léo và nhiều "khoảng trống" được đặt cách quãng đều dọc theo chiều dài mỗi phía đáy với một "rãnh" chạy dọc chiều dài sàn phòng. Những khoảng trống này được dùng làm gì hiện vẫn là điều bí ẩn. Kim tự tháp Đỏ tại Dashur cũng có các phòng trưng bày lớn và thiết kế tương tự.

Quan tài trong phòng Hoàng đế được khoét trong một phiến đá granit Aswan đỏ và quá lớn để được mang vào qua đường đi bên trong. Quan tài có được dự định đựng xác hay không vẫn là điều chưa được biết, nhưng nó quá ngắn đề đặt một người có tầm vóc trung bình vào trong mà không gập cong chân lại (một kỹ thuật không được áp dụng trong nghi lễ tang Ai Cập) và nắp của nó cũng không được tìm thấy.

"Phòng chưa hoàn thiện" nằm 90 feet sâu dưới đất và còn ở tình trạng thô, thiếu tính chính xác như các phòng khác. Phòng này không được các nhà Ai Cập học xem xét bởi vì đơn giản đó chỉ là một sự thay đổi kế hoạch, những người thiết kế đã dự định dùng nó làm phòng chôn cất nhưng sau này Vua Kheops đã thay đổi ý kiến và muốn được chôn trong một phòng ở cao hơn[17]. Nếu xét đến sự chính xác tuyệt đối trong việc lập kế hoạch cũng như xét đến bất kỳ một giai đoạn xây dựng nào của Đại kim tự tháp thì kết luận này cũng là một điều có vẻ khá đáng ngạc nhiên.

Hai nhà Ai Cập học không chuyên người Pháp, Gilles Dormion và Jean-Yves Verd'hurt, vào tháng 8 năm 2004 đã tuyên bố rằng họ đã khám phá ra một phòng chưa từng được biết tới trước đó dưới mặt đất Phòng nữ hoàng bên trong kim tự tháp sau khi sử dụng radar tìm kiếm và phân tích kiến trúc. Họ cho rằng phòng này vẫn chưa bị xâm phạm và có thể đang chứa thi thể nhà vua. Họ cũng cho rằng Phòng Hoàng đế, phòng thường được cho là nơi yên nghỉ ban đầu của Kheops không phải được xây dựng với mục đích làm phòng chôn cất.