Композиция ансамбля Биби-Ханым построена на сложном сочетании архитектурных форм и цвета. Роль своеобразного модуля играет стрельчатая арка в прямоугольном обрамлении. Множество арок, то дробящихся в ячейках сталактитов, то вырастающих до гигантских размеров, внесло в архитектуру сложный ритм, сделало особенно ощутимыми масштабные соотношения и вместе с тем объединило все в одно целое. Единство художественного замысла проявилось и в цвете узора. Стены мечети покрыты сеткой крупных ромбовидных фигур и куфических надписей, выложенных по терракотовому фону кирпичной кладки синими, голубыми и белыми изразцами. Голубой цвет преобладает в узорной кладке стен, он звучит в украшении пештаков и, пронизывая, таким образом, всю систему архитектурного декора, безраздельно господствует в изразцах большого бирюзового купола, как бы слившегося с небом.
Архитектура мечети была обращена к массе людей, заполнявших в дни богослужений двор и площадь перед зданием. Доминирующие в узоре на стенах мечети религиозные надписи и окружающие их орнаменты плоскостны, графичны и несколько суховаты, но хорошо видны на большом расстоянии. Несравненно богаче украшены пештаки. Пилоны и арки обогащены тонкими узорами расписной майолики и резной мозаики, то вкрапленных среди крупных геометрических мотивов и надписей, то заполняющих отдельные панно и тимпаны, то расположенных в виде цепочки звезд на фоне неглазурованного кирпича. Мерцание ярких красок изразцового убранства дополняло мягкое свечение белых мраморных панелей, наличников дверей и колонн.
Архитектурные идеи, положенные в основу этого сооружения, нашли воплощение и в интерьере «святилища». Оно поражало величием пространственного решения, тонкостью пропорций, богатством декора. Над большим и высоким квадратным помещением, расширенным с каждой из сторон глубокой нишей, вознесен купол, плавный переход к которому образуют тромпы, конструктивно дополненные щитовидными парусами. В среднеазиатских монументальных постройках конца XIV—начала XV в. над основными помещениями обычно высятся двойные или даже тройные купола. В скрытом от глаз пространстве между наружным, опирающимся на барабан, и внутренними куполами возведены опорные кирпичные ребра. Стены и своды, как и снаружи здания, имели богатое красочное убранство, выполненное росписью и раскрашенными с позолотой рельефными бумажными розетками, сделанными из прессованной бумаги и прикрепленными к штукатурке маленькими гвоздиками.
Несмотря на то, что сейчас от некогда грандиозного сооружения сохранились лишь руины, даже по ним можно понять величие замысла зодчих и ощутить огромную силу их вдохновенного мастерства. В целом архитектурно-художественный образ мечети Биби-Ханым представляет сложное явление, в содержании которого отразились и религиозные цели, ради которых строилась мечеть, и идеи прославления Тимура, и вместе с тем несравненно более широкое мистическое представление о мире. «Купол был бы единственным,— писал о мечети Биби-Ханым современник Шарафаддин Иезди,— если бы небо не было его повторением, и единственной была бы арка, если бы млечный путь не оказался ей парой».
Мавзолей Биби-Ханым служил, по-видимому, усыпальницей для женщин из династии тимуридов. По свидетельству Клавихо, первой была похоронена мать Биби-Ханым. Сведения о погребенной самой Биби-Ханым (Сарай-Мульк-Ханым) нет, хотя народное предание называет это здание мавзолеем Биби-Ханым.