Synagoga, usytuowana w centralnym punkcie dawnej dzielnicy żydowskiej – przy obecnej ulicy Gabriela Narutowicza 31 – uważana jest za jedną z największych i najstarszych w Wielkopolsce. Pierwszą synagogę w Lesznie wzniesiono około 1626 roku. Był to zapewne budynek drewniany, który spłonął podczas pożaru miasta w 1656 roku. Obiekt płonął jeszcze kilkakrotnie: w 1707, 1767 i 1790 roku.
Prace związane z odbudową synagogi po ostatnim pożarze trwały do 1799 roku. Wzniesiona na bazie starych fundamentów, a być może także starych murów jednoprzestrzenna bóżnica, otrzymała klasycystyczny wystrój. Po raz kolejny przebudowano ją i ponownie poświęcono w 1867 roku. Zmianie uległo rozplanowanie wnętrza – przesunięto bimę (podwyższenie do odczytywania Tory), z centrum sali bliżej szafy ołtarzowej oraz dobudowano południowy aneks, mieszczący dodatkowy przedsionek i wejście do sali modlitw.
W 1903 roku gmina żydowska zleciła wykonanie nowego projektu synagogi. Do jego realizacji nie doszło, ale w 1904 roku przygotowano jeszcze dwa projekty, opracowane przez pochodzących z Wrocławia architektów Richarda i Paula Ehrlichów. Efektem prac prowadzonych w latach 1904-1905, było dobudowanie do starszego korpusu świątyni części wschodniej z wysoką wieżą, zamkniętą charakterystycznym, cebulastym hełmem. Zlikwidowano wszystkie aneksy, z wyjątkiem najstarszego zachodniego i asymetrycznie rozplanowane wejścia. Zmianie uległ wewnętrzny układ synagogi, podporządkowany obecnie jednej, głównej osi. Wprowadzono jednopoziomową emporę dla kobiet – obiegającą wszystkie ściany poza wschodnią, zajętą przez dużą arkadę łączącą korpus z wieżą. Przy wschodniej ścianie umieszczono podwyższoną bimę – mównicę, za którą znajdowała się szafa ołtarzowa – arka ze zwojami Tory, a nad nią empora organowa. Na wcześniejsze sklepienie z 1889 roku nałożono nowe, głębsze sklepienie pozorne.
Przebudowa synagogi kosztowała 125.000 marek. Wyposażono ją w nowe klatki schodowe, centralne ogrzewanie, wentylację z ozdobnymi wywietrznikami, nowoczesne organy świdnickiej firmy Schlag & Söhne i w amfiteatralnie ustawione siedziska na emporach dla kobiet. Ściany i arkadę ozdobiono dekoracją roślinną. Monumentalna wieża, ujęta dwoma niższymi aneksami, została wewnątrz podzielona żelbetowymi stropami na trzy kondygnacje. Urządzono w niej pokój dla rabinów i tak zwaną synagogę tygodniową. Na szczycie ośmiopołaciowego hełmu umieszczono kulę i gwiazdę Dawida.
Nowy wystrój synagogi, łączący historyczne elementy klasycznego baroku z secesyjną dekoracją i elementami orientalnymi, podkreślały wielowiekowe tradycje żydowskiej obecności w Lesznie, ale też nowoczesne podejście do judaizmu.
Pomimo ortodoksyjnego charakteru gmina żydowska zdecydowała się na wprowadzenie śmiałych, nieszablonowych rozwiązań i oryginalnej stylistyki, łączących przeszłość z teraźniejszością. Budynek służył żydowskiej społeczności do 1939 roku, jednak w 1938 roku gmina zdecydowała o sprzedaży organów, które odkupiła parafia katolicka w Zdołbunowie na Wołyniu.
W okresie II wojny światowej, ale także po jej zakończeniu, budynek wykorzystywano jako magazyn. Przez szereg lat czynna była tam również łaźnia miejska. W 1956 roku podjęto decyzję o wyburzeniu górnej partii wieży. W latach następnych salę główną, na wysokości empor, przykryto żelbetowym stropem, zamurowano arkady galerii i cztery otwory okienne w aneksie zachodnim. W 1991 roku synagoga została wpisana do rejestru zabytków, a w 1993 roku przekazano ją Muzeum Okręgowemu w Lesznie, z przeznaczeniem na magazyny zbiorów i sale ekspozycyjne. Uroczyste otwarcie nowej siedziby nastąpiło w 2006 roku.
