Yıldırım Külliyesi içerisinde, Yıldırım Medresesi’nin doğusunda yer alan türbenin 1406 yılında Yıldırım Bayezid’in oğlu Şehzade Süleyman tarafından mimar Hüseyinoğlu Ali’ye inşa ettirildiği, giriş kapısı üzerinde yer alan kitabesinden anlaşılmaktadır. 1402 yılında Ankara Savaşı’nda Timur’a yenilen ve kısa bir süre sonra vefat eden Yıldırım Bayezid’in naaşı, bir müddet Akşehir’deki Şeyh Mahmut Hayrani Türbesi’nde muhafaza edildikten sonra Bursa’ya getirilerek kendi külliyesindeki bu türbeye defnedilmiştir.

Kare planlı olarak inşa edilen yapı, yaklaşık 10,5 × 10,5 metre ölçülerindedir ve tek kubbe ile örtülüdür. Kubbe, sekizgen bir kasnak üzerine oturmaktadır. Türbenin önünde, üç küçük kubbenin örttüğü revaklı bir giriş bölümü yer almakta olup bu özellik, yapıyı Osmanlı mimarisinin bilinen ilk revaklı türbesi hâline getirmektedir. Revaklı bölüm, köşelerde yığma ayaklar, ortada ise iki sütunun yuvarlak kemerlerle birbirine bağlanmasıyla oluşturulmuş ve ana kütleden daha yüksek tutulmuştur.

Türbenin iç mekânında, ortada Yıldırım Bayezid’in sandukası bulunmaktadır. Bunun sağında oğlu İsa Çelebi’nin, solunda ise eşine ve kimliği kesin olarak belirlenemeyen iki kadına ait sandukalar yer almaktadır. Yapının duvarları iki sıra taş ve bir sıra tuğladan oluşan almaşık örgü tekniğiyle inşa edilmiş, zemin ise tuğla ile kaplanmıştır. Köşeleri kare ayaklara, diğerleri yuvarlak sütunlara oturan revak bölümü, tarih boyunca çeşitli onarımlar geçirmiştir.

Yuvarlak planlı mihrabı bulunan türbede; mihrapta, pencere alınlıklarında, kubbede, kubbe kasnağında ve kubbe eteğinde XIX. yüzyıla tarihlenen kalem işi bezemeler görülmektedir. Bu onarımlar sırasında yapı, dönemin etkili mimari anlayışlarından biri olan Ampir üslubunun izlerini kazanmıştır.

Yıldırım Bayezid Türbesi, 2014 yılında UNESCO Dünya Mirası Listesi’ne kaydedilen “Bursa ve Cumalıkızık: Osmanlı İmparatorluğu’nun Doğuşu” adlı seri miras alanı kapsamında yer alan Yıldırım Bayezid Külliyesi’nin bir parçası olarak koruma altındadır. Yapı, erken Osmanlı mimarisini yansıtması, tarihî kimliği ve külliye bütünlüğü içindeki konumuyla Bursa’nın kültür ve inanç turizmi açısından önemli duraklarından biridir.