В конце XVI — начале XVII веков синагога выполняла оборонительные функции, защищая город Гусятин. Изначально здание было прямоугольной формы, имело три яруса и открытую боевую площадку на крыше. В середине XVII века внешний вид синагоги существенно изменился: вместо трех раздельных ярусов появился один большой зал для молитв со специальной нишей для хранения Торы и алтарем. Там, где раньше были бойницы, появились стрельчатые окна высотой около восьми метров. Кроме готического стиля, в декоре синагоги были явно видны и восточные мотивы. В последствии сооружение не раз поддавалось изменениям: достраивались новые помещения, открывалась терраса. Во время Второй мировой войны здание сильно разрушилось, пострадали как его внешние пристройки, так и внутренний интерьер. В последующие годы помещение синагоги восстанавливалось, проводились крупные реставрационные работы. После ремонта в здании разместился краеведческий музей. На данный момент музей закрыт, но синагога продолжает оставаться важным памятником архитектуры.