Çemberlitaş semtinde, Kapalıçarşı girişinde yer alan cami, 1748-1755 yıllarında inşa edilmiş. Osmanlı Padişahı I. Mahmut’un emri ile Mustafa Ağa ve yardımcısı Simon Kalfa (Mimar Simeon) tarafından başlayan inşaat, I. Mahmut’un ölümünden sonra üç yıllık saltanat süren kardeşi III. Osman zamanında “Nur-u Osmani” (Osmanlı’nın Nuru) adıyla tamamlanmış.
Cami ile birlikte medrese, imarethane, kütüphane, türbe, çeşme ve sebilden oluşan bir külliye de bu süre içinde yapılmış. Caminin, adını padişah III. Osman’dan ve caminin içindeki ışıktan aldığı söylenir. Barok sanatının etkisinin kütüphane, türbe, çeşme ve sebilde de kendini gösterdiği Nuruosmaniye Camii, kare plan üzerine inşa edilmiş. Yüksek mermer merdivenlerle iki yönden camiye çıkılır. Namaz kılmaya ayrılmış alan olan harim kısmı tek bir kubbe ile örtülmüş.
Eteği 32 pencere ile çevrili olan ana kubbesinin çevresi 26 metredir ve Osmanlı camilerinde kullanılan en büyük kubbelerden biri olan bu kubbe, duvarların üstüne oturan kemerler tarafından taşınmakta. Kubbe kemerlerinin duvar üzerindeki bitiminde bir kuşak halinde Fetih Suresi yazılıyken, kubbede ise En-Nur Suresi’nin 35. Ayeti yer almakta: “Allah, göklerin ve yerin nurudur”.
Cami, beş sıra halindeki 174 pencere ile aydınlatılıyor. Pencereler, barok stilinde ve alçıdanken, beş kubbeli son cemaat yeri U biçimindedir. Cami yazıları Hattat Rasim, Abdülhalim, Müzehhip Ali, Mehmet Refi Efendi’nindir. Mihrabı çıkıntılı ve klasik Osmanlı camilerinden farklı olarak çok köşeli olan dini yapının, yapıya bitişik iki şerefeli iki minaresinin taş külahları bulunur. Kurşun yerine taş alemler de ilk defa bu camide kullanılmış.
