Wielka Synagoga w Oświęcimiu została wybudowana przy ówczesnej ulicy Żydowskiej (ob. ul. Berka Joselewicza) w latach 1863–1873. Wcześniej w tym samym miejscu stała wcześniejsza bóżnica, zapewne drewniana, wzniesiona najprawdopodobniej ok. 1588 roku. Wtedy to, mieszczanin oświęcimski Jan Piotraszewski ofiarował miejscowym Żydom swoją działkę pod budowę synagogi i założenie cmentarza. Owa pierwsza synagoga została zniszczona podczas „potopu” szwedzkiego (1655–1660). Odbudowano ją, ale wkrótce spłonęła w czasie pożaru miasta, 6 lipca 1711 roku. Budynek wyremontowano raz jeszcze, jednak po kolejnym pożarze miasta w 1863 r., w okresie 1863–1873 wzniesiono synagogę murowaną.

Pierwotny wygląd synagogi zwanej Wielką nie jest znany. Wiadomo, że była kilkakrotnie przebudowywana, a jej najwcześniejsze fotografie pochodzą dopiero z początku XX wieku. Na pewno był to budynek na planie prostokąta. Wejście z przedsionkiem znajdowało się od strony północnej. Salę modlitewną, w której mogło się pomieścić 2 tys. osób, otaczały z trzech stron galerie dla kobiet z odrębnymi wejściami.

U schyłku XIX w. przebudowano fasadę, dodając elementy neoromańskie, neogotyckie oraz mauretańskie. Fasadę zwieńczono wówczas kopułkami. Autorem projektu był Karol Korn, a w pracach uczestniczyli także Gustaw Bleichert i Wiktor Bürda. Wygląd oświęcimskiej synagogi przypominał bóżnice w Białej i Wadowicach, również zaprojektowane przez Korna. Sufit i ściany pokrywały malowidła. Wystrój nawiązywał do popularnego wówczas stylu reformowanych synagog niemieckich, np. w Hamburgu.

Podczas II wojny światowej, w nocy z 29 na 30 listopada 1939 r., Niemcy spalili synagogę. W 1941 r. rozebrano jej zgliszcza, aby zbudować schrony przeciwlotnicze. Plac po synagodze pozostaje niezabudowany do dziś. Umieszczono tam jedynie tablicę pamiątkową, którą ufundował obecny właściciel działki – Centrum Żydowskie w Oświęcimiu.

W dniach od 28 maja do 29 czerwca 2004 r. w miejscu, gdzie stała synagoga, przeprowadzone zostały badania archeologiczne pod kierownictwem dr Małgorzaty Grupy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Odkryto wówczas ponad 400 przedmiotów, należących przed wojną do wyposażenia synagogi. Były to wykonane z miedzi m.in ner tamid, liczne świeczniki chanukowe oraz żyrandole pochodzące z drugiej połowy XIX wieku. Znaleziono także fragmenty marmurowych elementów aron ha-kodesz, fragmenty ławek, nadpalonych książek i elementów z inskrypcjami w języku hebrajskim. Podczas prac wykopaliskowych izraelski reżyser, Yahaly Gat, nakręcił film dokumentalny A Treasure in Auschwitz.