Tophane’de bulunan Nusretiye Camisi mimarisinin farklı olması ile diğer camilerden ayrılır. Süslemeler batı tarzındadır. Camideki yazılar dışında tüm süslemeler barok tarzındadır. 2.Mahmut Nusretiye Camiine özel bir önem vermiş hatta minarelerini beğenmediği için yıktırıp yeniden yaptırmıştır. 1823’teki Firuzağa yangınında yanmış olan “Arabacılar Kışlası Camiinin yerinde II. Mahmut tarafından yaptırılan ve “Nusretiye” adı verilen camii, 1826’da ibadete açıldı. Mimarı Krikor Balyan’dır. Yapı, tarihi İstanbul’un sınırları dışında inşa edilmiş en büyük camilerden birisidir.

KÜLLİYESİ OLMAYAN CAMİ
Yapıldığı yıllarda İstanbul’da etkin olan ampir ve barok üslup etkisindeki caminin sebil, muvakkithane ve şadırvanı da Tophane’yi süsler. 8. yüzyılın sonlarında Tophane yakınlarında Sultan III. Selim’in yaptırdığı “Arabacılar Kışlası Camisi” bulunmaktaydı. Ahşap cami, 24 Şubat 1823’teki Firuzağa yangınında yanıp kül oldu. Sultan II. Mahmut 1823’te yanan caminin yerine yeni bir caminin inşaatını başlattı. Yeni bir askeri teşkilat kurmakta olan II. Mahmut, caminin yapımını askeri binalarla birlikte başlamıştı. Bu nedenle vakıf binalarla değil, top dökümhanesinin önüne inşa edilen çeşitli askeri yapılarla çevrilendi. Vakıf yapıları yerine etrafındaki Tophane-i Amire ve Tophane Kışlası ile bir bir bütünlük gösteren camii, bu özelliği ile eski külliyelerden ayrılır. Caminin mimarlığını Osmanlı’ya sonradan saraylar, köşkler inşa edecek Balyan ailesinin ilk kuşağından Meremetçi Bali Kalfa ‘nın oğlu Krikor Amira Balyan üstlenmişti. İnşaat üç yıl sürdü ve 8 Nisan 1826’da Sultan II. Mahmut, saltanat kayığı ile Tophane İskelesi’ne çıkıp yere serilmiş değerli kumaşların üzerinde at sırtında ilerleyerek camiye gelerek, açılışı yaptı.  Açılış töreninde topçu birliklerini selamlayıp yeniçerileri selamlamadığı görülen II. Mahmut’un birkaç ay sonra yeniçeri ocağını kaldırması üzerine yeniçerilere karşı kazandığı zaferin anısına camiye “Nusretiye” denilmeye başlandığı da söylenir.

CAMİ ACILIŞINDA MADALYA
Caminin açılışı nedeniyle bir madalya yaptırılmıştır. Madalyanın ön yüzünde tuğra, ay içinde Nişanı Iftihar, arka yüzünde Camii Nusret, 1247 yazısı bulunmaktadır. Nusretiye Camii’nin açıldığı 8 Nisan 1826 günü gerçekleşen törene II. Mahmud deniz yoluyla gelmiş, kubbenin mahyaları örttüğünü fark etmişti. Bunun üzerine 14 Mayıs 1826’da minareler alt şereflere kadar yıktırıldı ve üst şerefeler daha yükseğe aldırılarak baştan yapıldı. Hacı Mıgırdiç Çarkyan (1799-1899) ikinci kalfa ve resimcibaşı olarak çalıştı. 1960’lara doğru minarelerden birinin petek kısmı tehlikeli bir biçimde eğrilmiş olduğundan bütünüyle sökülerek tekrar yapılmıştır. Camii, 1955-1958 arasında tamir gördü. 1956’da yol çalışması sırasında caddenin karşısında kalan sebil ve muvakkithane sökülerek caminin yanına taşınmıştır. Camiye barok üslupta inşa edilmiş 4 m yüksekliğinde ve 2,10 m genişliğinde görkemli bir kapıdan girilir. Giriş kapısı üstündeki yazı Yesarizade Mustafa İzzet Efendi’ye aittir.Tek kubbelidir. Kubbesinin cami iç kısmından yüksekliği 29 metre, çapı 15 metredir.

HÜNKÂR MAHFİLİ KAFES PİRİNÇ DÖKME VE ALTIN YALDIZLIDIR
Doğu ve batı yakasındaki çıkıntılı yapı, hünkâr kasrıdır. Hünkâr mahfilindeki kafes pirinç dökme ve altın yaldızlıdır. Hünkâr Kasrına son cemaat bölümündeki odalardan ve dış yan revaklardan da girişler verilmiştir. Sultan girişi ise, denize bakan güney cephededir. Hünkâr Kasrının duvarları renkli bitki motifleriyle süslenmiş ve kemerli kapısında Hattat Mustafa Rakım’ın yazdığı Nebe(Amme) Suresi yer alır[5]. Caminin içini çevreleyen Amme suresi de Mustafa Rakım Efendi’ye aittir. Camide Recai Şakir Efendi’ye ait hat eserleri de görülür.

Avluda muvakkithane ve sebil olmak üzere iki yapı daha bulunur. Eskiden caddenin karşısında, kışla kapısı yanında bulunan yapılar, bugünkü yerlerine sonradan taşınmıştır. Caminin mimarisi ve dış süslemesine uygun biçimde tam önüne II. Abdülhamid tarafından 1901’de İtalyan mimarı Raimondo D’Aronco’ya çeşme yaptırılmıştır. Söz konusu çeşme, 1956’da yerinden sökülerek Maçka’da İstanbul Teknik Üniversitesi binasının karşısında kurulmuştur.