בית הכנסת הגדול של מזכרת בתיה הוא מבנה מרשים הנמצא במפגש הרחובות רוטשילד והרב מוהליבר – שני אישים שהמפגש ביניהם הוא שהוביל להקמת המושבה.
המבנה נחנך בשנת תרפ"ח (1928), לאחר שבית הכנסת הראשון של המושבה היה צר מלהכיל את תושבי המושבה שגדלה. ישנה סברה לפיה היה צורך בבניית בית כנסת חדש מכיוון שנתגלה סדק באחד מקירותיו של בית הכנסת הראשון.
בית הכנסת הגדול נבנה מתרומתו של הברון רוטשילד, כמתנת פרידה שהעניקו הוא ורעייתו למושבה בביקורם האחרון בארץ בשנת תרפ"ה (1925). ציון למתנה זו ניתן לראות בלוח השיש הטבוע מימין לדלת הכניסה, בו מצוינת שנת תרפ"ז (1927) כשנת הנחת אבן הפינה.
בית הכנסת תוכנן על ידי האדריכל פנחס היט ונבנה בסגנון אקלקטי, בעל מרכיבים אדריכליים מגוונים. חזיתו המהודרת מזכירה מצודה אירופית עם שני צריחים וגג משופע, ומשולבים בו אלמנטים יהודיים.
לאחר שהושלמה בנייתו, הובאו אל בית הכנסת פריטים מבית הכנסת הראשון:
ארון קודש ייחודי מעוטר בעיטורי גפנים מגולפים בעץ, שבנה בשנת תרמ"ו (1886) אהרון זליג לויטה, אחד המייסדים.
נר התמיד מעל ארון הקודש, אשר נתרם על ידי הברון לזכר אמו בתיה, בעת ביקורו הראשון במושבה בשנת תרמ"ז (1887). בביקור זה הסב הברון את שם המושבה מעקרון למזכרת בתיה.
ספרי תורה וספרי קודש שהביאו עמם משפחות ראשוני המושבה מפבלובקה.
בית הכנסת היה מבנה הציבור המרכזי ביותר בחייהם של ראשוני המושבה, אך לאורך השנים הוא שימש למטרות נוספות, כמו למשל בתקופת המנדט הבריטי, הבימה המרכזית שלו שימשה כ'סליק' להסתרת נשק (כיום יש בימה חדשה).
במשך כשמונים שנה בית הכנסת הגדול היה היחיד במושבה. עם התרחבות המושבה וקליטת משפחות חדשות, נפתחו למעלה מעשרה בתי כנסת נוספים.