صمم مسجد الحسن الثاني المهندس المعماري الفرنسي ميشيل بينسو، وهو ممن استقدمهم الملك إلى المغرب، للعمل على عدة تصاميم من ضمنها هذا المسجد. قام بينسو بتصميمه على بنية تاريخية ومعتمدا على العمارة المعاصرة، وهذا بعد سنوات قضاها في دراسة العمارة الإسلامية المغربية حيث عاش في الدار البيضاء لمدة أكثر من 20 عاما. كان مصدر الإلهام له جامع الكتبية في مراكش، والجزء القديم من مسجد حسان في الرباط، بالإضافة إلى الجامع الكبير في إشبيلية.

صمم المسجد على مساحة إجمالية تبلغ 90 مترا مربعا، كان المسجد خليطا من التصميمات الأندلسية العتيقة، فأدمج أسلوبا مغربيا مع خصائص حديثة في التصميم، مسايرة للتطورات التي تشهدها المباني التاريخية عالميا. شيد هذا المسجد على جانبين، الجانب الأول من جهة اليابسة مكون من مدخل مزين بأبواب مزركشة وأقواس منقوشة تدل على دلالات تاريخية، والثاني وسط المياة.

كانت من التحديات التي واجهت البناء هو دفن وردم 15 هكتارا من مساحة البحر عن طريق استخدام مواد شديدة المقاومة والصلابة، تهتم بمتانة البناء وثباته فوق الأمواج، مثل طلاء الترافرتين والتيتانيوم للأبواب، و"تدلاّكت" (نوع من الأصباغ المضادة للماء ومشهور في العمارة المغربية) وهي مادة ضد الرطوبة. كما استدعى البناء ما يقارب 300 ألف متر مكعب من الخرسانة و40 ألف طن من الفولاذ.

إن تصميم المئذنة ذات طابع معمار مغربي أندلسي، تتجه نحو القبلة توجها ركنيا، على عكس باقي المساجد في العالم الإسلامي التي بنيت أضلاعها في اتجاه القبلة. ترتفع المئذنة 200 مترا، وهذا يجعلها من أعلى المعالم الدينية في العالم، كما أنها مزودة بمنارة، وجامور من 3 كرات ذهبية بارتفاع 15.5 مترا، بالإضافة إلى أنه يشع منه شعاع ليزر يبلغ مداه 30 كيلومترا، وتعد منارة للسفن القادمة إلى ميناء الدار البيضاء.

كان الملك خلال زيارته للموقع قد طلب من الشركة المسؤولة رفع المئذنة 25 مترا إضافيا بعد أن لاحظ أن حجمها ليس متناسبا مع حجم المبنى، مما تطلب تطوير مواد البناء لتكون قادرة على تحمل هذا الوزن الإضافي على اثر هذا التعديل. بالنسبة لواجهات المئذنة، فهي مزينة بأشكال مزخرفة من الحجر الجيري الروداني، وبعجينة زجاجية خضراء فسيفسائية، مصنوعة من التيتانيوم، على إطارات من الفولاذ المقاوم للصدأ. تبلغ مساحة قاعدتها 625 مترا مربعا، ويوجد من الداخل مصعد يتسع لـ 12 فردا، يمكنهم ذلك المصعد من الوصول إلى قمة المئذنة في أقل من دقيقة، وهذا عمل رائع!

جسد المسجد خصائص العمارة العربية الإسلامية، من حيث الشكل والزخرفة والحجم والموقع، وكانت هندسته المعمارية مستوحاة من الغنى الثقافي لفن البناء المغربي على مر القرون. هو قام بإحياء التراث الأندلسي، مع الحفاظ على الشكل المعماري المغربي. من أهم النقاط التي تعكس هذا النمط هو التركيز على قاعة الصلاة (المصلى أو صحن المسجد) بما يتناسب مع مساحة المسجد، لأنها مصدر الضوء والهواء لباقي أجزائه.

تقع قاعة الصلاة على مساحة هكتارين، وتتسع لـ 25 ألف مصل، إضافة إلى 80 ألفا آخرين في الساحة الخارجية. يعلو القاعة سقف متحرك ارتفاعه 60 مترا، يفتح ويغلق آليا في 5 دقائق لرؤية فناء مشمس على غرار البنايات القديمة التي تتميز بالهندسة العربية الأندلسية. كما يوجد أيضا ثريات المورانو، والأبواب الزجاجية بالجدار الشمالي، ومجموعة من الشماسات المرمرية الفخمة، بالإضافة إلى 3 فتحات مصنوعة في إطار خشبي مقوس.

علاوة على ذلك، صحن المسجد مجهز بأرضية مدفأة مغطاة بالرخام والغرانيت والحجر الجيري، مما يجعله محاكيا لديكور السجاد المغربي، وتزينه قباب "ستينيا" وقباب على شكل وردة، أطلق عليها "حسانية" أشرف الملك بنفسه على تصميمها، فكانت أول قباب تستعمل في مساجد المغرب، وهي عبارة عن خشب محفور ومثبت على إطارات تزن 971 طنا من الفولاذ مضاد للصدأ ومعلق بهيكل خرساني. كما يتميز المسجد بارتفاع أعمدته 13 مترا، وتنوعها شكلا وحرفيا، حيث نجد توظيف جمالي لخط وزخرفة الخشب والجبس والنحاس والرخام والفسيفساء والأصباغ باختلاف ألوانها،