正面７間、側面4間（「間」は長さの単位ではなく、柱間の数を表す）で、手前の７間×１間を吹き放し（壁、建具等を設けず、開放とする）とすることがこの建物の特色である。
吹き放しとなった堂正面には８本の太い円柱が並び、この建物の見所となっている。建物は文永７年（１２７０年）、元亨３年（１３２３年）、元禄６年 – ７年（１６９３年 – １６９４年）に修理されている。
特に元禄の修理は大規模で、創建当初は垂木のすぐ上に瓦を葺いていたものを改めて、屋根勾配を急にし、桔木（はねぎ）を入れ、近世風の小屋組とした。そのため屋根高は創建時より２メートル以上高くなっている。外面の各所に打ち付けられた長押も元禄材で、創建当初は現状よりせいの低い長押が用いられていた。明治３１年から３２年（１８９８年 – １８９９年）の修理では小屋組の構造を再度改め、西洋式のキングポストトラスとしている。
このように修理が重ねられて来たが、平成の大修理に伴う調査の結果、当初材が良好に残存していることが分かった。地垂木は９割が当初材を再用しており、扉も当初材を加工して使用している。
２００５年、奈良県教育委員会の発表によれば、金堂の部材には西暦７８１年に伐採された
ヒノキ材が使用されており、建立は同年以降ということになる。 堂内は広い部分を占めて須弥壇があり、その上に仏像が並んでいる。
中央に本尊・廬舎那仏坐像、向かって右に薬師如来立像、左に千手観音立像の３体の巨像を安置するほか、本尊の手前左右に梵天・帝釈天立像、須弥壇の四隅に四天王立像を安置する（仏像はいずれも国宝）。
廬舎那仏、薬師如来、千手観音の組み合わせは他に例がなく、経典にも見えないことからその典拠は明らかでない。
東大寺（本尊は廬舎那仏）、下野薬師寺、筑紫観世音寺を「天下三戒壇」と称するが、唐招提寺の三尊は廬舎那仏・薬師・観音の組み合わせで天下三戒壇を表しているとする説もある。
乾漆廬舎那仏坐像
像高３０４．５センチメートル。奈良時代末期、８世紀後半の作とされる。廬舎那仏は、大乗の戒律を説く経典である『梵網経』（５世紀頃中国で成立）の主尊である。像は千仏光背を負い、蓮華座上に坐す。
麻布を漆で貼り固めて造形した脱活乾漆像である。唐招提寺は私寺であるが、本像は制作に手間の掛かる脱活乾漆像であることから、造東大寺司の工人による作と推定されている。光背の千仏は８６０体余が残る。
金堂の平成大修理にともない、堂内の仏像も搬出されて保存修理を受けた。盧舎那仏像の修理は１９９９年度から２００２年度にかけて行われたが、この際にいくつかの新知見があった。
台座の蓮弁は、現状では１２方６段に配置されているが、当初は８型１２段に配置されていたことが、蓮弁の取り付け痕跡の調査から判明した。なお、材質が劣化しているため、平成の修理では蓮弁を当初の形式に復元することはしていない。
Ⅹ線撮影の結果、本像の両掌には２個ずつの小玉（穴が貫通していることから数珠玉と推定される）が埋め込まれていることが判明した。また、本像の瞳には石か陶器のような堅い物体が嵌め込まれているが、Ⅹ線撮影の結果、この瞳の裏（または内部）に径０．６センチメートルほどの球状の物体が埋め込まれていることも判明した。これらの眼や掌への工作は、像が瞳からの放光などの「好相」を現すことを期待してのものと推定されている。
木心乾漆薬師如来立像
像高３３６．５センチメートル。廬舎那仏像とは造像技法が異なり、木心に木屎漆（こくそうるし）を盛り上げて造形した木心乾漆像である。
かつては奈良時代の作と考えられていたが、１９７２年の修理時に左の掌の内側に３枚の古銭が納入されているのが発見され、そのうち最も年代の下る隆平永宝が延暦１５年（７９６年）以降の鋳造であることから、本像の制作もそれ以降、つまり平安京遷都後となる。光背はこの像のものとしては幅が広すぎ、他の像の光背を転用したものと推定されている。
木心乾漆千手観音立像
像高５３５．７センチメートル。奈良時代末期の作で、廬舎那仏像よりはやや時代が下がるとされている。
千手観音像は４０手（合掌手を含めて４２手）で千手を代表させるものが多いが、本像は実際に１，０００本の手を表した例で、大手４２本の間に小手をびっしりと植え付ける。現状は大手４２本、小手９１１本、計９５３本であるが、制作当初は計１，０００本の手を有したものと思われる。
像が脇手に持っている持物（じもつ）はその大部分が後補だが、なかには宮殿、蓮華など当初のものもある。本像は盧舎那仏像と同様、１９９９年度から２００２年度にかけて保存修理が行われ、このときにすべての脇手をいったん取り外し、保存処置をしてから元に戻した。
修理時に、寺内の収蔵庫から、本像の背面裾部分の断片が発見され、修理後はこの断片を本来の位置に復元している。
木造梵天・帝釈天立像 - 像高はそれぞれ１８６．２及び１８８．２センチメートル。奈良時代末期 - 平安時代初期。
木造四天王立像 - 像高は１８５．０ – １８８．５センチメートル。奈良時代末期 - 平安時代初期。
国宝。入母屋造、本瓦葺き。正面９間、側面４間。平城宮の東朝集殿を移築・改造したもので、天平宝字４年（７６０年）頃、平城宮の改修に伴って移築された。
東朝集殿は、壁や建具のほとんどない開放的な建物で、屋根は切妻造であったが、寺院用に改造するにあたって、屋根を入母屋造とし、建具を入れている。鎌倉時代の建治元年（１２７５年）にも改造されているが、奈良時代宮廷建築の唯一の遺構として極めて貴重である。堂内には本尊弥勒如来坐像（重文、鎌倉時代）と、持国天、増長天立像（国宝、奈良時代）を安置する。
１９７０年に新宝蔵が完成するまでは、堂内に多数の仏像を安置していた。また、講堂は僧侶が習学するための空間であったことから講師、読師が座る論義台が置かれる。
木造弥勒仏坐像 - 像高２８３．３センチメートル。鎌倉時代の作。膝裏には弘安１０年（１２８７年）の記があるが、『招提千歳伝記』によると開眼供養は５年後の正応５年（１２９２年）である。
木造持国天、増長天立像 - 像高はそれぞれ１３２．５及び１２８．２センチメートル。甲（よろい）の文様の彫り口などに唐時代の石彫との類似が指摘され、鑑真と共に来朝した工人が制作に関与したと推定される。