Khi xây dựng, Đại kim tự tháp cao 150 m (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.

[14]Năm 1940, một phi công của Anh đã chụp hình được một trong những đặc điểm độc đáo nhất của Đại Kim tự tháp Giza ở Ai Cập. Bức ảnh cho thấy kim tự tháp thực sự có 8 mặt chứ không phải 4.

Góc chụp tại đúng thời điểm với độ sáng phù hợp cho thấy kim tự tháp này là những khối 8 mặt chứ không phải 4 mặt như thường nhìn thấy.Hiện tượng này chỉ có thể phát hiện vào lúc bình minh hay hoàng hôn tại, thời điểm xuân phân hay thu phân, khi mặt trời ngả bóng trên Kim tự tháp làm lộ rõ tám mặt, do cấu trúc bề mặt hơi lõm xuống. Điều thú vị ở đây là người kiến tạo ra các đặc điểm này phải có kiến thức hoàn hảo về chu kỳ mặt trời, vốn là một kiến thức cao cấp trong toán học.Có rất nhiều người biết về 8 mặt của kim tự tháp. Hầu hết cho rằng điều đó được một phi công khám phá lần đầu vào năm 1940, nhưng thật ra nó đã được đề cập tới trong quyển Mô tả về Ai Cập vào cuối thế kỷ 18 bởi ngài William Matthew Flinders Petrie – chủ tịch đầu tiên của khoa Ai Cập học ở Anh Quốc và đã tham gia khai quật nhiều di chỉ quan trọng bậc nhất ở Ai Cập.

Trong quá trình nghiên cứu kim tự tháp, ông Petrie đã nhận thấy ở trung tâm mỗi mặt đều có chỗ lõm vào, và có thể đo đạc được. Chi tiết độc đáo và khá ít người biết này có thể dễ dàng quan sát từ trên không, nhưng trong điều kiện ánh sáng phù hợp, người ta cũng có thể quan sát từ trên mặt đất.Nhiều giả thuyết đã được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu và khảo cổ khác nhau, nhưng cho đến nay chưa có lý giải nào thực sự thuyết phục.

Dưới đây là một số giả thuyết được tác giả Martin Isler liệt kê trong tạp chí của Trung tâm nghiên cứu Hoa Kỳ ở Ấn Độ (20:1983, pp. 27–32). Bài viết “Bàn về các mặt lõm của Đại Kim tự tháp” đưa ra các lý do sau:Nhằm tạo ra hình cong hướng vào trung tâm, giúp ngăn các mặt bên bị sạt lở.Tảng đá bao ở phần trung tâm sẽ cần phải to hơn, và vì thế sẽ phù hợp hơn để làm mốc cho các tảng đá khác cùng hướng.Nhằm liên kết tốt hơn giữa phần lõi và phần bao ngoài.Vì lý do thẩm mỹ, các mặt lõm sẽ làm cho công trình đẹp mắt hơn.Sau này khi dỡ các tảng đá bao ngoài, chúng sẽ lăn xuống trên các mặt kim tự tháp, gần phía trung tâm hơn là các cạnh.Xói mòn tự nhiên và cát do gió đẩy tới có ảnh hưởng mạnh hơn ở khu vực trung tâm.Nhưng tất cả các giả thuyết trên đều khó có khả năng xảy ra, vì ngay cả tác giả Isler cũng cho rằng “kim tự tháp đầu tiên như thế nào thì các kim tự tháp khác cũng tương tự.” Ông đưa ra 1 giả thuyết rằng “đó có thể là do phương pháp xây dựng khiếm khuyết” – phầm lõm vào là do nhiều lỗi xây dựng gộp lại mà thành, làm võng hàng đá. Nhưng các giả thuyết này vẫn có vẻ tự mâu thuẫn với nhau, bởi nếu là khiếm khuyết thì nhiều chỗ của kim tự tháp sẽ bị ảnh hưởng chứ không chỉ có phần trung tâm các mặt.Một số giả thuyết khác cho rằng mặt lõm này có thể đại diện cho 3 độ dài của năm: theo Mặt Trời, theo lịch thiên văn hoặc “bất thường.” Nhưng điều này chưa được chứng minh.

Một giả thuyết khá đáng chú ý là của John Williams, ông cho rằng chỗ lõm vào là để giúp kim tự tháp chịu được áp lực cực lớn ở bên trong (điều này có thể làm bạn nhớ tới giả thuyết khá nổi tiếng về việc kim tự tháp là một nhà máy năng lượng).Các nhà khảo cổ cho rằng Đại Kim tự tháp Giza được xây dựng vào khoảng năm 2500 TCN làm lăng mộ cho Pha-ra-ông Khufu, nhưng tuyên bố này vẫn chưa được chứng minh, và mục đích xây dựng công trình này vẫn còn đang được tranh luận sôi nổi. Ngày nay, chúng ta được dạy rằng Đại Kim tự tháp Giza là lăng mộ của vua pha-ra-ông nhưng trên thực tế người ta chưa tìm thấy bất kỳ thi thể nào trong kim tự tháp này, nên đây là điều gây tranh cãi.Có lẽ khi chúng ta có thể nhìn nhận lại về mục đích thực sự của việc xây kim tự tháp, các đầu mối mới trở nên rõ ràng hơn.

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.