به استناد متون کهن تاریخی و بررسی‌های انجام شده، گنبدخانه پیش از ابنیه دیگر توسط اعقاب سلطان سنجر سلجوقی به سال 633 ه.ق پایه‌‌ریزی شد و به همت غیاث‌الدین محمد ابوبکر کرت (متوفی 643 ه.ق) توسعه یافت. فضای داخلی گنبدخانه با نقاشی‌های رنگارنگ و زیبا روی گچ زینت یافته و تاریخ 763 و 771 ه.ق بر انتهای کتیبه‌ها حکایت از مرمت و بازسازی بنا دارد. ساختار معماری گنبدخانه، یادآور طرح مقبره سلطان سنجر در مرو است. گنبد بنا نیز با تلفیقی موزون از سه کنج و چهار طاق‌نمای هشت ضلعی ایجاد شده که سطح زرین آن با تزئینات کاربندی پوشش یافته است.
