در ضلع شمالی و جنوبی برج دو سردر با معماری طرح رازی ساخته شده است و تقریباً تا ارتفاع 4 متری برج دیوارها به صورت توپ تا قطر دیوارهای حدود 1.5 متر تشکیل شده و دیوارهای بالای ارتفاع 4 متر به صورت تو خالی طراحی شده و وسط آن پلیکانی وجود دارد که درب آن در همان ارتفاع در ضلع شمالی بنا خودنمائی می‌کندکه رابطی بین قسمت‌های تحتانی و فوقانی برج می‌باشد.

درب‌ها و قوس‌های رازی که فشار فوق‌العاده‌ای را تحمل می‌کند و تو خالی بودن دیوارهای فوقانی به استحکام بنا کمک کرده و جنس خشت به کار رفته در برج که از زاج و خاک و سفیده تخم مرغ است بر استحکام آن می‌افزاید.

از ویژگی‌های جالب و منحصر به فرد این برج، کاربرد آن به عنوان یک ساعت آفتابی عظیم است. بدین صورت که ترک-های دور تا دور برج به گونه‌ای طراحی شده که با طلوع آفتاب در سمت شرق بنا، کم‌کم یکی از کنگره‌ها روشن می‌شود و آفتاب به درون آن می‌تابد. با گذشت نیم ساعت از طلوع خورشید، نصف کنگره روشن می‌شود و با گذشت یک ساعت از طلوع خورشید، یک کنگره به طور کامل روشن می‌شود. به همین ترتیب با گذشت دو ساعت دو کنگره و با گذشت سه ساعت سه کنگره روشن می‌شود، تا اینکه لحظه‌ای فرا می‌رسد که خورشید روی نصف النهار منطقه و در بیشترین ارتفاع خود از افق قرار می‌گیرد. در این هنگام خورشید دقیقاً بالای سر در جنوبی برج قرار می‌گیرد، زیرا درب‌های برج کاملاً شمالی جنوبی بوده و روی نصف‌النهار واقع است.

براساس طرح‌های موجود در اسناد تاریخی و برخی اظهار نظرهای سیاحان و پژوهشگران، این بنا سابقا از بیرون دارای تزیینات و کتیبه‌ای به خط کوفی در قسمت فوقانی بود که در قرون گذشته از بین رفت. از لحاظ تاریخی براساس ساختار و سبک بنا و نیز شواهد و قرائن موجود تاریخی، می‌توان برج طغرل را به نیمه دوم قرن ششم هجری متعلق دانست. برج طغرل در سال ‪ ۱۳۰۱‬هجری قمری درحالی که بخش قابل توجهی از قسمت فوقانی آن تخریب شده بود به فرمان ناصرالدین شاه قاجار به زیبایی تمام مرمت و بازسازی شد. در پیشانی سر در ورودی برج طغرل کتیبه‌ای از سنگ مرمر متعلق به همین دوره به چشم می‌خورد که از تاریخ بازسازی این برج به دستور ناصرالدین شاه و به خاطر ارادت وی به طغرل بیک خبر می‌دهد. مصالح این اثر تاریخی در نما و سطوح داخلی آجر و به صورت رگ چین ساده است، دو ردیف مقرنس کاری با آجر نیز در قسمت فوقانی بنا در آن قسمت بیرونی به چشم می‌خورد. پوشش بیرونی سقف برج براساس شواهد و مدارک تاریخی و با مقایسه بناهای تاریخی مشابه هم عصر از نوع طاق رک (مخروطی) بوده، که درحال حاضر اثری از آن موجود نیست.

مورخ نامی ترکیه، فارق سومر نیز محل دفن طغرل را همین مکان می‌داند. عده‌ای دیگر از نویسندگان این مکان را محل دفن خلیل سلطان از فرزندان تیمور لنگ و همسر او شادالملک در قرن پانزدهم می‌دانند.