در قسمت جنوب غربی کهن دژ (ارگ سلطنتی)، گنبد سلطانیه به عنوان یکی از بناهای عظیم اسلامی و شاید باشکوه ترین آنها، همچون نگینی سربرافراشته و خودنما یی می کند. ‏این بنا در دوران حکومت سلطان محمد خدابنده (اولجایتو) در مدت 9سال (از سال704 الی 712هجری قمری) احداث شده است. درباره این بنا، در باره این بنا،فرضیه های بسیاری از نظر تناسب ها، ترکیب ها، تلفیق ها و دیگر ویژگی ها از سوی مورخان، جغرافی دانان، باستان شناسان و حتی مردم عادی ابراز شده است که دو وجه غالب دا رند: ‏نظریه نخست، به مورخان و جغرافی دانان متقدم مربوط است که بنای گنبد را آرامگاه سلطان محمد خدابند« اولجایتو » معرفی کرده اند. نظریه دوم، مربوط به انتساب و اختصاص بنا، از طرف اولجایتو، به آرامگاه علی بن ابیطالب (ع) و حسین بن علی (‏ع) است. ‏کارشناسان با بررسی های باستان شناسی و مطالعه عناصر معماری، انتساب و اختصاص بنای گنبد سلطانیه به آرامگاه ائمه اطهار (ع) را مردود دانسته اند و روشن شده است که آرامگاه سلطانیه را غازان و اولجایتو به تقلید از آرامگاه های موجود در ایران ساخته اند. گنبد سلطانیه، شکوه و بزرگی کلیسای جامع مریم مقدس درفلوراس ایتالیا و مسجد ایاصوفیای ترکیه را تداعی می کند. این بنا، سومین بنای بزرگ تاریخی در جهان و نخستین بنای بزرگ تاریخی ایران می باشد. این بنا در دوران برپایی، بلندترین بنای جهان بوده است. ‏معماری گنبد سلطانیه، نسبت به آثار مشابه، از نظر عظمت و ابعاد، منحصر به فرد است و نمونه بدیعی از یک آزمایش موفق است. این بنا دارای 5/48 ‏متر ارتفاع،60/25‏متر دهانه قوس،87/6متر عرض جرز،5/17 متر طول جرز از سمت بیرونی و60/8 ‏متر طول جرز از سمت درونی است. این بنا 8 ایوان مرتفع و نزدیک به50 اتاق و فضای ویژه اتاق مانند دارد. گنبد سلطانیه نخستین بنایی است که تحول معماری دوران سلجوقی به معماری دوره ایلخانی را به وضوح نشان می دهد. سنگینی گنبد عظیم و قوس ها و دیگر عنصرهای معماری را، جرزحای هشت گانه آن تحمل می کنند. محاسبات به عمل آمده نشان می دهند که سنگینی گنبد 200 ‏تنی بر روی جرز ها که سطح مقطع هرکدام50 متر مربع می باشد، استوار شده است. مطالعات اخیر روشن کرده است کحه این عنصرها دارای مقطع تونلی نیز می باشند. این ویژگی، مقاومت جرزها را در برابر زمین لرزه و فشارهای ناشی از باد افزایش می دهد. به کارگیری تیرهای چوبی عاجدار در ابعاد و اندازه های مختلف، از این نظر، حایز اهمیت می باشد. ‏ملاط این بنا، مخلوطی ازگچ ومقدار اندکی آهک است.گنبد سلطانیه با احتساب طبقه همکف، سه طبقه مشخص دارد: طبقه همکف ایوان های هشت گانه را در خود جای داده است و شامل ایوان های شمال غربی ، شمال شرقی، ورودی و ایوان جنوبی مشرف به تربت خانه است. طبقه اول در40/9 ‏متری ازکف کنونی بنا قرارگرفته و دارای دهلیزهای ارتباطی است که دورتادور بنا را احاطه کرده اند. طبقه آخر در80/27 ‏متری از کف قرار گرفته است. در این طبقه ، پا طاق گنبد و پایه های هشت ضلعی مناره ها قرار دارند .ارتفاع پاطاق این طبقه 40/1 متر و ارتفاع گنبد از طبقه آخر 19 متر است . ورودی سردابه در ایوان ضلع جنوبی قرار گرفته است. طرح سردابه بسیار پیچیده و شامل 7 واحد حجمی است که با یک دیگر ارتباط فضایی ندارند. این روش مقبره سازی با هیچ کدام از مقبره های شناخته شده کنونی ایران قابل مقایسه نیست. به احتمال قریب به یقین ، سردابه بر اساس بینش و تفکرآیین های مذهب شمن پرستی مغولی طرح ریزی شده است. با توجه به فلسفه و عقاید شمن پرستی و تأکید آن بر وجود ارواح خبیثه و انوع جادو، برای جلوگیری از ورود و مزاحمت ارواح خبیثه به حریم قبرها، گماردن محافظان و تعبیه مکان هایی برای برآوردن منظورهای فوق ، امری ضروری بوده است. ‏گنبد سلطانیه از نظر تزئینات نمایشگر مرحله کمال معماری گذشته ایران است و خلاقیت طراحان، معماران و مهندسان زمان خود را به نمایش وداوری گذاشته است. در این بنا، دو لایه آرایش وزینت معماری شناسایی گردیده است: قسمتی از تزئینات لایه دوم به دوران اولجایتو و اوایل دوران سلطان ابوسعید بهادر تعلق دارد. تزئینات لایه نخست ، به طور کلی، با پیشرفت کار ساخت بنا اجرا گردیده و در هنگام افتتاح ابواب البر، پایان پذیرفته است. ‏عمده ترین عنصر های تزئیناتی درگنبد سلطانیه عبارت اند از: تزئینات آجری،گچ بری، کتیبه نویسی وکاشی کاری که همگی با هم و با هماهنگی جالب توجهی سامان یافته اند. ‏طولانی ترین کتیبه این بنای تاریخی کتیبه ای است که در فاصله 360 ‏سانتی متری از کف گنبد، و در عرض 75 سانتی متری دورتادور بنا نوشته شده است و به سوی ایوان ها و جرز ها ادامه یافته است. دو این کتیبه، سوره «فتح» ‏به خط زیبای ثلث نوشته شده است. در بالای هر یک از ایوان های هشت گانه، یک حدیث ذکر گردیده است. در سطح قوس، در طبقه دوم ایوان شرقی، کتیبه ای از آجر های پیش بر در زمینه کاشی کاری معرق به رنگ سبز و آبی وجود دارد. بر این کتیبه، آیه125 سوره مبارکه « ‏بقره» ‏(سو ره یکم) به خط کوفی نوشته شده است. ‏در سطح جرز ایوان های جنوب شرقی و جنوب غربی، طرح های تزئینی به شکل ترنج با رنگ آبی طراحی گردیده اند و خط های کلی این نقش ها، اسلیمی است. در لابه لای این نقش های اسلیمی، کلمات ابوبکر، عمر، عثمان و علی، حسن و حسین پیوسته تکرار شده اند. این گنبد به تنهایی یکی از شگفتی های معماری در ایران و جهان به شمار می رود و از ارزش های درجه اول جهانگردی برخوردار است.