Synagoga w Bychawie została wzniesiona w 1810 roku na miejscu starszego domu modlitwy, co potwierdzają zachowane tablice fundacyjne z chronogramem 571 (1810–1811). Budowla ta stała się jednym z najważniejszych obiektów religijnych i społecznych miejscowej gminy żydowskiej, odgrywając istotną rolę w życiu duchowym, edukacyjnym i kulturowym miasta, które przez wieki było przestrzenią współistnienia wielu narodowości i wyznań.
W 1876 roku synagoga uległa poważnym zniszczeniom w wyniku pożaru. Niemal natychmiast przystąpiono do jej odbudowy i gruntownej renowacji, prowadzonej etapami przez kolejne lata. Prace remontowe, obejmujące zarówno konstrukcję budynku, jak i jego bogate wyposażenie malarskie, zakończono ostatecznie w 1897 roku. Z tego okresu pochodzi znaczna część zachowanych do dziś polichromii ściennych i sklepiennych.
Podczas II wojny światowej synagoga została zdewastowana przez okupanta niemieckiego. Po zakończeniu działań wojennych, wobec zagłady bychawskiej społeczności żydowskiej i braku użytkowników religijnych, budynek utracił swoją pierwotną funkcję. Został przebudowany na potrzeby remizy strażackiej, a następnie zaadaptowany jako warsztat samochodowy i magazyn. Kolejne zmiany użytkowe doprowadziły do istotnych przekształceń wnętrza i pogorszenia stanu technicznego obiektu. Od 1995 roku synagoga pozostaje opuszczona i stopniowo popada w ruinę. Znajduje się ona na terenie zaplecza przedsiębiorstwa budowlanego, co znacznie utrudnia dostęp do jej wnętrza.
Na mocy ustawy z 1997 roku o restytucji mienia żydowskiego, dnia 23 lipca 2007 roku synagoga została zwrócona Gminie Wyznaniowej Żydowskiej w Warszawie, która przekazała ją pod opiekę Fundacji Ochrony Dziedzictwa Żydowskiego. W listopadzie tego samego roku fundacja sprzedała obiekt osobie prywatnej. Nowy właściciel przeprowadził remont dachu, przywracając mu pierwotny kształt i zabezpieczając budynek przed dalszą degradacją. W celu kontynuowania prac konserwatorskich i popularyzacji wielokulturowego dziedzictwa Bychawy powołano Fundację „Bychawa – miasto wielu kultur”.
Synagoga jest murowanym, orientowanym budynkiem wzniesionym na planie prostokąta, utrzymanym w stylistyce barokowej. W części zachodniej znajduje się przedsionek, z którego prowadzi wejście do głównej, niemal kwadratowej sali modlitewnej. Sala ta została nakryta sklepieniem dziewięciopolowym, którego centralna część wsparta jest na czterech filarach; pomiędzy nimi pierwotnie znajdowała się bima. Nad przedsionkiem, na piętrze, usytuowano babiniec, otwarty na salę główną dziewięcioma arkadowymi otworami. Całość budynku przykrywa dach dwuspadowy.
Na ścianach głównej sali modlitewnej oraz babińca zachowały się fragmenty rozbudowanego zespołu polichromii, wykonanych w większości podczas remontu prowadzonego w latach 1867–1897. Dekoracje malarskie rozmieszczone są symetrycznie, głównie we fryzie biegnącym pod oknami. Na ścianie wschodniej, po obu stronach wnęki aron ha-kodesz, znajdują się częściowo zachowane tablice fundacyjne z inskrypcjami hebrajskimi, upamiętniające fundatorów synagogi. Widoczne są także inskrypcje zawierające nazwiska osób, które wykupiły stałe miejsca modlitewne. Towarzyszą im bogate motywy ornamentalne i symboliczne, m.in. lwy, jelenie, ryby, pawie, ptaki, korony oraz bukiety kwiatów w wazach. Na sklepieniu zachowały się przedstawienia instrumentów muzycznych. Szczególnie cenne są wizerunki menory z wpisanym tekstem Psalmu 67 na ścianie południowej oraz XX-wieczna polichromia nad aron ha-kodesz, przedstawiająca dwa szofary przy tarczy słonecznej.
W elewacji południowej zachowały się dwie szerokie, dwuskrzydłowe bramy, wybite w okresie użytkowania obiektu jako remizy strażackiej. Wnętrze budynku służy również jako miejsce składowania macew pochodzących ze zniszczonego cmentarza żydowskiego. Synagoga w Bychawie pozostaje dziś jednym z najcenniejszych, a zarazem najbardziej zagrożonych zabytków dziedzictwa żydowskiego regionu, będąc niemym świadkiem wielowiekowej obecności społeczności żydowskiej w historii miasta.
