Nusretiye Camisi’nin yerinde daha önceleri, III. Selim’in yaptırdığı Arabacılar Kışlası’nın camisi bulunuyordu. Bu cami Firuzağa yangınında yanınca; Beyoğlu’na bağlı Tophane semtinde, Meclisi Mebusan Caddesi üzerinde yer alan Nusretiye Camii, II. Mahmut tarafından Krikor Amira Balyan’a yaptırılmıştır. Caminin inşaatı 1823 yılından 1826 yılına kadar sürmüş ve yapı 1955–58 arasında kapsamlı, 1980 ve 1992 yıllarında kısmen restore edilmiştir.
Nusretiye Camisi’nin harimine, barok üslupta inşa edilmiş 4 m yüksekliğinde ve 2,10 m genişliğinde görkemli bir kapıdan girilir. Harim 7.50×7.50 m ölçülerinde kare plan üzerine inşa edilmiş ve harim tavanı 33 m yüksekliğindeki pandantifli bir kubbe ile örtülmüştür. Kalem işleriyle bezeli kubbe kasnağını yirmi pencereli açıklıklar dolaşır. Mihrap nişleri camideki diğer mimari öğelere kıyasla sadedir. Mihrap nişlerinin iki yanında iki pencere bulunur ve mihrap içten daire biçimli, yarım kubbeyle örtülüdür. Ayrıca, cami Osmanlı klasik mimarisinin son örneği olan, dört sıralı pencere açıklıklarına sahiptir. Mermer duvar kaplamaları da ikinci sıra pencere açıklıklarının hizasına kadar yükselir.
Cami girişinin doğu ve batı yakasındaki çıkıntılı yapı, Hünkâr Kasrıdır. Hünkâr Kasrı yuvarlak kemerli mermer sütunlar üzerine oturmaktadır. Hünkâr Kasrına son cemaat bölümündeki odalardan ve dış yan revaklardan da girişler verilmiştir. Sultan girişi ise, denize bakan güney cephededir. Hünkâr Kasrının duvarları renkli bitki motifleriyle süslenmiş ve kemerli kapısında Hattat Mustafa Rakım’ın yazıtı yapıdaki estetiği doruğa çıkarmıştır.
Tarihi caminin iki şerefeli iki minaresi ve avluda on sütun üzerine oturan kubbeli şadırvanın yanı sıra avluda muvakkithane ve sebil olmak üzere iki ayrı yapı daha bulunur. Nusretiye Camii, gerek inşa edildiği mekân gerekse mimari ayrıntılarıyla, cami mimarisinin görülmeye değer ürünlerindendir