Selçuklu döneminin en anıtsal yapılarından biri olan Çifte Minareli Medrese aynı zamanda en çok tahribata ve yıkıma uğrayan yapılardan biridir. Günümüze yalnızca doğu cephesi, yani ön yüzü gelebilmiştir. 1960’lı yıllarda yapılan araştırma kazısı sonucuna göre medrese, açık avlulu, dört eyvanlı, iki katlı anıtsal bir yapıdır. Köşe kulelerinden sonra medreseye bitişik güney yönünde daha önceki dönemlere ait bir imaret veya zaviye olduğu, kuzey yönünde ise medrese bünyesi içinde bir hamamın olabileceğinin izleri ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca giriş eyvanının iki yanında yukarı çıkan merdivenler bulunmaktadır.

Taç kapısı üzerinde yer alan kitabesinde 1271 yılında Vezir Sahip Şemseddin Muhammed Cüveyni tarafından yaptırıldığı yazmaktadır. XIII. yüzyıl, Anadolu Selçuklu döneminde imar faaliyetleri ve kültür hayatının önemli devresi olarak görülmektedir. Selçuklular bu yüzyılın içinde Sivas’ta Buruciye Medresesi, Gök Medrese ve Çifte Minareli Medrese gibi taş, tuğla ve çini sanatının Anadolu’da en önemli yapılarını meydana getirmişlerdir. Taç kapının en üstünde, beyaz mermer üzerinde Tevbe Suresi 122 ayet-i kerimesi yazmaktadır.

Ön yüz, ortada iki minareli taç kapı, iki yandaki pencere ve köşe kuleleri ile kompozedir. Ön yüzündeki süslemeli pencereler yerleştirilirken bir simetri aranmamıştır. 37,54 metrelik cephenin ortasında taç kapı ve bu kapının iki köşesinde minareler yer almaktadır. Geometrik çini süslemeli tuğla minareler kapının ihtişamını artırmaktadır. Cephedeki taş süsleme ve oran itibariyle mimari bir olgunluğun yanı sıra aynı süslemeyi tekrardan kaçınan bir anlayışın hâkim olduğu göze çarpmaktadır. Böyle bir uygulama ile daha canlı, hareketli, ışık-gölge oyunlarını kuvvetlice hissettiren bir cephe elde edilmiştir. Taşın yanı sıra sırlı tuğla ve çinilerle bezeli iki minaresi bu olgun ve doyurucu kompozisyonu renklendirmiştir. Taç kapı üzerine uzanan kitabenin tamamı ise okunamamaktadır. Burada mimarın yazıyor olması muhtemeldir. Bu nedenle Sivas’ta yer alan Çifte Minareli Medrese’nin mimarı tam bilinmemekle birlikte bu kişinin Külük B. Abdullah olduğu birçok araştırmacı tarafından kabul edilmektedir.

Yapılan kazılar medresenin esas olarak diğer Türk-İslam medreseleri gibi açık avlulu ve dört eyvanlı (bölme) olduğunu gözler önüne sermektedir. İki katlı ve külliye birimi olduğu da anlaşılmaktadır. Medrese, Dar’ul Hadis (Hadis Okulu) adıyla da bilinmektedir. Köşe kulelerinden sonra medreseye bitişik güney yönünde daha önceki dönemlere ait bir imarat veya zaviye olduğu, kuzey yönünde ise medrese bünyesi içinde bir hamamın olabileceğinin izleri ortaya çıkarıldmıştır.

Medrese uzun süre bakımsız kaldı, 1882’de hastane, daha sonra İnönü Mektebi olarak kullanılmıştır. 1882 yılında hücre birimleri yıkılan yapının ön cephe kısmına arkadan destek verilerek tamamen yıkılması önlenmiştir. 1946 yılında minarelerin şerefeleri restore edilmiş, 1972 yılında yıldırım düşmesi sonucu gövdesi çatlayan minare Vakıflar Genel Müdürlüğü’nce onarılmıştır. Doç. Dr. Haluk Karamağaralı yönetiminde 1965-1971 yılları arasında yapılan kazıyla medresenin temelleri ortaya çıkarılmıştır. Yapı ayrıca 2002 ve 2008 yıllarında onarım gördü. 2009-2010 yıllarında yapılan restorasyonda ise cephe ve minareler onarılarak çiniler tamamlanmış, cephe temizliği yapıldı, temel kalıntıları bir metre yükseltilerek belirgin hâle getirilmiştir.