Edificata nel 1595 al centro dell'esteso ghetto, con accesso sul protetto vicolo Salomone Olper, all'esterno l'edificio si presenta con un muro privo di elementi architettonici di rilievo (sino allo Statuto albertino era infatti vietato agli ebrei realizzare decorazioni in facciata per il tempio), ma al suo interno si cela uno straordinario esempio di architettura tardo-barocca, con stucchi, ori, preziosi arredi lignei. Valicato il piccolo portone di accesso che immette in un atrio voltato, affacciato sul cortile interno porticato, si giunge all'ingresso della sala di preghiera. Questa è il risultato di un ampliamento realizzato nei primi decenni del Settecento, quando viene aggiunto il primo dei due matronei al livello superiore, e di un più importante intervento di riplasmazione compiuto nel secolo successivo, nel 1853. Alla fine del XVIII secolo si interviene anche sugli arredi: il preesistente armadio (aron) dove è custodito il rotolo della Torah è arricchito con legni preziosi e oro, e si erige il podio (tevà) in legno scolpito; negli anni intorno al 1860 viene costruita la cantoria lignea e si modifica la disposizione dei banchi lungo le pareti della sala.
Diminuendo progressivamente di numero la comunità ebraica casalese, l'edificio comunitario perse con gli anni il primitivo splendore, sino a quando, nel 1968, la sala del tempio viene restaurata riportando le decorazioni ai brillanti colori originari, e nella sinagoga, dichiarata monumento nazionale, alcuni locali sono destinati per ospitare un museo di arte e storia ebraica, nel quale è esposta una ricca collezione di argenti e oggetti di culto.