مسجد تاریخانه در جنوب شرقی دامغان واقع شده و یکی از بهترین نمونه‌های مساجد نخستین در ایران و قدیمی‌ترین بناهای پس از اسلام است. درباره تاریخانه و زمان ساخت بنای اولیه آن، صاحب‌نظران بسیاری بحث کرده‌اند. نویسنده مرآه البلدان، دستور ساخت تاریخانه را به امیرالمؤمنین علی(ع) نسبت داده و آندره گدار، تاریخ ساخت این بنا را اواسط قرن دوم هجری ذکر کرده است. آرتور پوپ، ساخته شدن این مسجد را بین سال‌های 130 تا 170 هجری دانسته و محمد کریم پیرنیا تاریخ ساخت آن را حدود 150 هجری می‌داند.
در وجه تسمیه این بنا گفته‌اند که تاری به معنای خداست و تاریخانه یعنی خدای خانه. عده‌ای بر این باورند که این مسجد قبلاً آتشکده بوده و پس از تسلط اعراب، آن را ناری‌خانه خوانده‌اند و سپس به تاریخانه معروف شده است.
نمای مسجد تاریخانه پیش از ساخت طاق بر دهانه میانی شبستان - از کتاب معماری ایران اثر پوپ
نمای کنونی مسجد تاریخانه.
در زمان بازسازی مسجد در قرن سیزدهم هجری، به جای طاق‌های مازه‌دار (بیضوی) اصلی که اغلب فرو ریخته بودند، طاق‌های نوک‌تیز جناغی بنا شدند، هر چند که در بخش‌هایی از بنا، نمونه‌هایی از طاق‌های مازه‌دار اولیه به چشم می‌خورد.
بخشی از رواق جانبی مسجد تاریخانه.
بنا بر توصیف مؤلف مرآه البلدان، در قرن سیزدهم هجری قمری، تنها چند ستون از این بنا باقی مانده بود. نویسنده تاریخ قومس یادآور می‌شود که میرزا آقا عاملی، از وعاظ دامغانی، با کمک مالی مردم، طاق‌های مسجد را بازسازی کرد؛ اما در این بازسازی، حالت اولیه طاق‌ها را تکرار نکردند و آن‌ها را به روش معمولی در آن روزگار ساختند. او می‌گوید که از سوی شمال غربی، سه دهانه رو به جنوب شرقی و پنج دهانه دیگر به شبستان‌هایی باز می‌شده که اکنون خراب شده‌اند.
تاریخانه دامغان، یکی از کهن‌ترین ساختمان‌ها در شیوه خراسانی است. بار بنا به شدت تحت تأثیر معماری ساسانی و ساختمان‌ها و کاخ‌های سروستان و فیروزآباد است. نقشه ساختمان بر پایه همان شبستان ستون‌دار است که بعدها در آن تغییراتی داده‌اند؛ برای نمونه، دهانه میانی در شبستان جنوبی، بلندتر و بزرگ‌تر شده است. نمای مسجد نیز دگرگون شده است و قوسهای مازه‌دار(بیضوی) طاق‌ها به قوسهای تیزه‌دار (جناغی) تبدیل گردیده‌‌اند. البته پاکارقوس‌ها (جایی که طاق شروع می‌شود)، تغییری نیافته است. هنوز قوسهای مازه‌دار(بیضوی) کهن، در ساختمان دیده می‌شود که نشان دهنده اصالت آن است.
نمای سه بعدی مسجد تاریخانه - مرکز اسناد دانشکده معماری و شهرسازی دانشگاه علم و صنعت ایران
پلان مسجد تاریخانه دامغان از گدار
اگرچه بخشی از ساختمان اصلی بازسازی شده و به طور طبیعی در مدت حدود 900 سال خراب شده، آن قدر دست نخورده باقی مانده که کیفیت خود را نشان می‌دهد. طرح اصلی آن به سبک صحن مرکزی است: یک صحن بزرگ تقریباً چهارگوش و در گرداگرد آن رواق‌هایی با طاق ضربی روی ستون‌های مدور.
صحن این مسجد 72/26 متر طول و72/25 متر عرض دارد که دور تا دور آن را رواق‌هایی فرا گرفته است. بدین ترتیب که 22 دهانه طاق بدین صحن باز می‌شود. ورودی این مسجد، از جناح طولی شرق است. پوشش مسجد، با طاق‌های گهواره‌ای بر روی قوس‌ها و ستون‌های مستحکم صورت گرفته است. امروزه طاق‌های گهواره‌ای مسجد فرو ریخته‌اند، ولی در شکل اصلی قابل مقایسه با طاق‌های گهواره‌ای مسجد جامع فهرج بوده‌اند. برای نگهداری طاق‌ها، ستون‌های عظیمی از آجر بر پا شده که توسط قوس‌هایی به همدیگر و به دیوار وصل شده‌اند. بر روی این قوس‌ها نیز دیواری به بلندی یک متر ساخته و سپس طاق گهواره‌ای را بر آن سوار کرده‌اند. قوسهای بالای ستون‌ها به صورت بیضی از آجر ساخته و در بالا به آرامی شکسته شده‌اند. برای حفظ تعادل و اتصال محکم قوس‌ها به ستون از قطعات چوب استفاده شده است. دهانه طاقی که در مرکز رواق به سمت قبله قرار می‌گرفته، از دهانه‌های دیگر عریض‌تر و بلندتر ساخته شده و بیانگر مراحل اولیه شکل‌گیری ایوان در مساجد شبستانی ایران است. بدین ترتیب، علاوه بر تداوم سنت معماری دوره ساسانی، به مرکز جایی که محراب و منبر در آن قرار دارد، اهمیت خاصی شده است.