De synagoge Uilenburg was van 1766 tot 1943 een echte volkssjoel in het hartje van de joodse buurt. Ze kwam in de plaats van een huissynagoge waar vanaf 1724 godsdienstoefeningen werden gehouden. Aan die diensten kwam een einde na kritiek van de parnassijns van de Hoogduitse (of Asjkenazische) gemeente dat de diensten zich aan hun toezicht onttrokken. De huissynagoge werd in 1765-1766 vervangen door het huidige, veel grotere gebouw. Van de oude huissynagoge resteren alleen nog enkele muurdelen.
De eilanden Uilenburg, Rapenburg en Marken waren aan het einde van de zestiende eeuw aangeplempt ten behoeve van scheepsbouw en industrie. Op Uilenburg werden over de lengte van het eiland twee smalle straten met twee zijstraten gerooid. Hier verrezen pakhuizen terwijl de oostelijke kade geheel door scheepswerven in beslag werd genomen.
Tijdens de stadsuitbreiding van 1655-1663 verplaatste het zwaartepunt van de industriële bedrijvigheid zich naar de nieuwe Oostelijke Eilanden Kattenburg, Wittenburg en Oostenburg. Hierdoor kwam ruimte vrij voor woningbouw. Juist in die tijd zochten veel joodse vluchtelingen uit Oost, Midden en West Europa, de Asjkenazim of Hoogduitse joden, hun toevlucht in Amsterdam. Het merendeel van hen was straatarm en vestigde zich aan de rand van de stad waar de huizen goedkoop waren, zoals op Uilenburg. In de negentiende eeuw behoorde het joodse proletariaat nog steeds tot de armste groepen van de stad. Uilenburg werd een overbevolkte, sterk verpauperde stadswijk. In de periode 1910-1927 werd de buurt ingrijpend gesaneerd waarbij honderden krotten werden afgebroken. De twee straten op Uilenburg werden vervangen door één brede straat, de Nieuwe Uilenburgerstraat. De synagoge die aanvankelijk alleen via een gang vanaf de straat was te bereiken, kwam door de afbraak van huizen aan de nieuwe straat te liggen.
De synagoge heeft een sierlijke voorgevel met een in- en uitzwenkende top waarvan de aanzetstukken op geblokte hoeklisenen rusten. De begane grond ontvangt licht door rechthoekige vensters, op de verdieping bevinden zich hoge rondboogvensters waarvan de boogvorm terugkeert in het bovenlicht van de ingang. Boven de drie vensters in de voorgevel bevinden zich kleine ronde vensters met een Davidsster.
De twee zalen op de begane grond dienden als bruiloftslokalen. Sinds 1889 werd de benedenruimte gedeeltelijk, in 1912 geheel bestemd tot rituele slachtplaats voor gevogelte.
De eigenlijke synagoge (of sjoel) is de driebeukige ruimte op de verdieping. Het brede middenschip met houten tongewelf op grote Toscaanse zuilen wordt geflankeerd door smallere zijschepen. Boven het trappenhuis en de zijschepen bevinden zich galerijen, die gewoon voor de vensters langs lopen. Alleen de galerij boven het trappenhuis, achter in de ruimte, was voor vrouwen bestemd.
In 1943 werd de synagoge gesloten. In de resterende oorlogsjaren is de inventaris vrijwel geheel verloren gegaan, inclusief de bima (preekgestoelte), de arke (bewaarplaats voor de Torarollen) en de eeuwig brandende lamp. Boven de arke was de tekst geschreven: Ik stel mij de Eeuwige altijd voor ogen. Deze tekst is bij de restauratie van 1988-1996 opnieuw aangebracht, uitgevoerd in glas. De grote kroonluchter is afkomstig van de Westerkerk.
In 1954 kocht de gemeente de synagoge die nu als restauratieatelier in gebruik werd genomen onder leiding van Hans´t Mannetje. Het atelier richtte zich zowel op de restauratie van bouwkundige onderdelen als op het vervaardigen van nieuwe gevelstenen. Het terrein rond de synagoge was ingericht als bouwwerf. Vanaf 1988 is de synagoge in gebruik van het Nationaal Restauratie Centrum dat hier cursussen, studiedagen en lezingen organiseert. Bovendien doet de synagoge dienst als trouwlocatie van de gemeente Amsterdam. Sinds 1997 komt ook regelmatig de joodse gemeente Beit Ha’Chidush (Huis van Vernieuwing) in de synagoge bijeen.
Aannemingsbedrijf Kneppers BV heeft in 1988-1996 de restauratie van het pand uitgevoerd. Behalve algeheel constructief herstel en schilderwerk in de oorspronkelijke kleurstelling, werd de inrichting aangepast aan het toekomstig gebruik als restauratiecentrum. Daarnaast werd een geheel nieuw trappenhuis ontworpen dat alle ruimtes met elkaar verbindt. Het ontwerp van architect M. Fritz werd in 1996 bekroond met een Europa Nostra Award, een prijs voor restauraties die bijdragen aan behoud van het Europees cultureel erfgoed.