大礼堂建成于1962年，建筑面积3600平方米，由同济大学建筑设计研究院建筑师黄家骅、胡纫茉和结构工程师俞载道、冯之椿设计。该建筑于1999年10月获“新中国50年上海经典建筑”提名奖，后被列入上海市第四批优秀历史建筑名单。
    大厅宽40米，长56米，结构净跨40米，外跨54米，为装配整体式钢筋混凝土联方网架结构。整个大厅内没有立柱，大厅拱形屋顶网架结构中的菱形结构网格单元极富韵律感，与意大利的罗马小体育馆异曲同工。礼堂位于校园中心地带，原有座位3564个，常常举行校庆大会、学术报告会、音乐演唱会等大型活动，同时兼作影院。
    大礼堂在使用过程中，由于礼堂的大面积玻璃开窗放映功能受到外界干扰光线极大的限制和影响，而且外界的噪音也时常对演出产生负作用。另外，建筑年代久远，外立面的围护构件、保温隔热、舞台空间音质效果等无法满足需求，又因内部的座椅等硬件设施陈旧老化，后台功能设施简陋，面积狭小，难以满足现在较大型的演出活动要求等。因此， 2005年11月，为迎接百年校庆，对大礼堂进行保护性修缮改造，改造工程建筑面积7000平方米，由同济大学建筑设计研究院设计者袁锋、陈剑秋和结构设计者郑毅敏设计。
    改造后，重点保护礼堂的拱形网壳结构，屋面由油毡板制成的网格单元，室内屋顶采用结构露明的做法，表现了纯粹的结构形态，展示了结构的韵律美；保留了原有大礼堂的入口门廊和细部和原有屋顶侧窗，展现富有同济特色的装饰性构件，又通过侧窗进行自然通风，提高建筑节能效果；利用南北两侧原来的侧向加固横板，围合成玻璃侧廊，而原有侧墙改为内部的实体墙，杜绝了外界环境对内部的干扰，同时又能最大限度的保证内部的座位数量；向地下开挖了部分空间作为设备用房，同时将观众席作大幅度升起，基本满足后排观众的观赏要求，由观众席升起6米的空间下方和贯通空间一起形成一个有较强引导性的半吸入式入口大厅，并且和入口门廊及室外空间组成对比强烈的空间序列；又新建了两层建筑，扩大了建筑的范围，增加了后台空间、排演空间、化妆室和休息室等部分，与原礼堂礼堂整体建筑风格相呼应。
    同济大礼堂是同济大学历史记忆的组成部分，设计师以保存、复原“精品式”文物建筑为宗旨，以可持续性发展为基本理念，不仅提升校园历史建筑的艺术价值，更要体现其在经济、社会、生态方面的潜在价值。保护方式因此从单一、僵硬、静态的保护、保存方式，向整体的综合、柔软的保护、利用和更新方式转变。同济大学礼堂的改造案例，对建设节约型、可持续性的校园建设，对延续校园历史人文有重大的意义和参考价值。