Церковное сооружение существовало в X–XI веках. Храмовый комплекс был разрушен, и до наших дней сохранились лишь остатки фундамента из белого камня. В конце XX века проводились научно-археологические раскопки, в результате которых ученые выяснили, что здание находилось на территории цитадели, и было построено до 922 года, вероятно, при основании города.

О том, что в районе города Билярск когда-то стояла древняя мечеть, первым упоминал историк Василий Татищев. В 1769 году эти места посетил путешественник Николай Рычков, который обнаружил развалины минарета, стен и колонн. Когда сюда приехали ученые Худяков и Пономарев, то не застали ничего. Позже, в середине XIX столетия местные жители распахали землю и начали использовать ее для сельскохозяйственных нужд, разобрав остатки здания.

Первые серьезные исследования на месте древнего храма волжских булгар начались в 1971 году под руководством археолога Альфреда Халикова. В 1976 году ученые приступили к научной консервации средневекового храма и завершили ее в 1981 году.

Храмовый комплекс состоял из двух частей, построенных из разных материалов и в разный исторический период. Дата возведения первой, деревянной части, неизвестна. Постройки из красного кирпича и камня появились с юго-восточной стороны храма до середины X века. 

Предполагается, что кирпичные сооружения построены во время приезда посольства халифа Аль-Муктадира, вместе с которым прибыли мастера-каменщики. Мечеть была большая, общая площадь помещений составляла не меньше 2000 м². Этот факт подтверждает версию о том, что билярская мечеть — одна из самых крупных сооружений Восточной Европы эпохи Средневековья.

Деревянная часть мечети имела прямоугольную форму. Вход здания смотрел на северо-восток, а михрабная ниша — на юго-запад, в сторону Мекки. Каменная пристройка прямоугольной формы также была сориентирована на стороны света. Ученые предполагают, что в каменном строении находился большой зал, в котором симметрично друг другу в шесть рядов стояли 24 колонны, служившие опорой для перекрытий.