刘基庙坐北朝南，为七间三进回廊合院式木构建筑，占地面积3024平方米。庙分头门、仪门、正厅三进，由头门、仪门、正厅、追远祠及照壁、牌坊、厢房组成，四周为块石砌筑的围墙。

　　五百多年来历经数次特别是清代三次整修，但主体结构仍保持当时的明代形制与风格。

　　从头门踏道至正厅三幢，沿轴线依次有头门、倚门、正厅、两侧二轩，回廊紧接，庙容宏伟壮观。明正德九年（1514）后在庙头门外加建御题"帝师"、"王佐"木牌坊两座，高9米，中贯宽敞通道，与庙宇成丁字型； 

　　正厅法式重檐歇山顶，梁柱粗壮，非一人所能合抱，厅高20余米，面阔28米，穿斗式结构，青瓦屋面，正脊有太极图。中堂塑有刘基及其子刘琏、刘璟坐像三尊，刘基像前正上方悬章太炎旧题、沙孟海重书"千秋景仰"横匾。左廊有个重900斤古铜钟。另有明、清、民国、现代名人书题的匾额，如"帝师"、"古之名世"、"万古云霄"、"玄机洞鉴"等。

　　在庙内，有明正德皇帝御题的楹联："占事考详，明有徵验，开国文臣第一；运筹划计，动中机宜，渡江策土无双。"清乾隆时进士礼仁阁大学士刘权之、知府韩锡胙、县令万里、吴捧日等都留有墨迹。还有近人于右任、章太炎、蔡元培、林森、居正、苏步青、钱南扬、苏渊雷、沙孟海、唐云、任政、夏郁桐、裴昌会、刘劲持、刘佑忠等人的繁多作品。最为著名的有两对，一对为蔡元培所撰："时势造英雄，帷幄奇谋，功冠有明一代；庙堂馨俎豆，枌榆故里，群瞻伟像千秋。"另一联为原国民政府主席林森所作："出处进退，与任盟冥符，运会起风云，旷代勋华民族史；事业文章，有姚江继武，桑梓崇俎豆，千秋祠宇括苍山。"(其中姚江指王阳明，明中叶哲学家)。文化大革命期间庙内曾遭严重破坏，现己修茸如故。

　　民国十六年(1927)又在正厅后面加建一座三开间追远祠--刘基上七代祖宗祠。二进回廊现设有刘基手迹等文物和照片。头门山墙二界内壁嵌有明天顺五年(1461)礼部左侍郎姚巨撰写的《敕建诚意伯刘公祠堂记》，还有《敕赐翊运祠碑记》、《重修祠堂记》等。