Ban đầu miếu Bà Chúa Xứ Núi Sam được cất đơn sơ bằng tre lá, nằm trên vùng đất trũng phía tây bắc núi Sam, lưng quay về vách núi, chính điện nhìn ra con đường và cánh đồng làng.

Năm 1870, ngôi miếu được xây dựng lại bằng gạch hồ ô dước. Năm 1962, ngôi miếu được tu sửa khang trang bằng đá miểng và lợp ngói âm dương. Năm 1965, Hội quý tế cho xây nới rộng nhà khách và làm hàng rào nhà chính điện của ngôi miếu. Năm 1972, ngôi miếu được tái thiết lớn và hoàn thành vào năm 1976, tạo nên dáng vẻ như hiện nay, và người thiết kế là hai kiến trúc sư Huỳnh Kim Mãng và Nguyễn Bá Lăng.

Đến khi ấy, kiến trúc miếu có dạng chữ "quốc", hình khối tháp dạng hoa sen nở, mái tam cấp ba tầng lầu, lợp ngói đại ống màu xanh, góc mái vút cao như mũi thuyền đang lướt sóng. Bên trong miếu có võ ca, chánh điện, phòng khách, phòng của Ban quý tế...

Các hoa văn ở cổ lầu chính điện, thể hiện đậm nét nghệ thuật Ấn Độ. Phía trên cao, các tượng thần khỏe mạnh, đẹp đẽ giăng tay đỡ những đầu kèo. Các khung bao, cánh cửa đều được chạm trổ, khắc, lộng tinh xảo và nhiều liễn đối, hoành phi ở nơi đây cũng rực rỡ vàng son. Đặc biệt, bức tường phía sau tượng Bà, bốn cây cột cổ lầu trước chính điện gần như được giữ nguyên như cũ.

Ở thời điểm năm 2009, thì miếu Bà Chúa Xứ Núi Sam là "ngôi miếu lớn nhất Việt Nam"[3].