تالار مرکزی حرم امام رضا (ع) عبارت است از یک بنای چهارطاقی با گنبد دو پوستۀ گسسته بر فراز آن که ضریح مطهر حضرت را در خود جای داده است. این تالار از شمال به رواق دارالفیض، از غرب به مسجد بالاسر، از شرق به گنبد حاتمخانی و از جنوب به رواق دارالحفاظ راه دارد.
ارتفاع گنبد حرم امام رضا (ع) از کف گنبدخانه تا نوک آن ۳۱ متر است. دور گنبد در سطح بیرونی ۴۲ متر و ارتفاع آن از بام حرم تا ابتدای آجرهای مطلا ۸.۴ متر، از اول طلاکاری تا نوک گنبد ۵.۱۶ متر و ارتفاع سرطوق گنبد ۵.۳ متر است. نماکاری پایه گنبد از جنس کاشی هفترنگ و معقلی است. تزیین این بخش شامل قابها و طاقنماهایی کار شده با کتیبههای کوفی بنایی و یک کتیبه ثلث در ضلع شرقی می شود.
کتیبههای کوفی بنایی تکرار عبارات «لااله الا الله»، «محمد رسولالله» و «علی ولیالله» است و در دوران معاصر و همزمان با تعمیرات گنبد مطهر در دوره انقلاب اسلامی اجرا شده است. کتیبه ثلث نیز یک قاب مستطیل با خط سفید بر زمینه لاجوردی است که در چهار سطر، به تعمیرات بقعه مطهر در دوره ناصری در زمان تولیت عضدالملک قزوینی اشاره دارد. کتیبه به خط محمدحسین شهید مشهدی و به تاریخ ربیعالأول ۱۲۷۴ قمری است.
نمای گنبد حرم امام رضا (ع) از بالای پایه، تماماً با خشتهای مسی طلاکاری پوشیده است. این خشتها به ابعاد ۳۸×۲۵ سانتیمتر بریده و به هم متصل شده است. لبههای برگشته خشتها برای میخ کردن به زمینه، بهصورت منظم سوراخ شده و برای محکم کردن خشت در دل زمینه بتنی، دستکهایی در پشت خشتها تعبیه شده است. در آخرین تعمیرات گنبد، برای ساخت زیرکار نما، ابتدا یک لایه بتن و میلگرد به قطر ۲۰ سانتیمتر روی پوشش آجری گنبد اجرا و سپس در زمان نصب نما، بهوسیله لایه دیگری از بتن و میلگرد نازکتر به قطر ۱۰ سانتیمتر، خشتهای مسی کلاف شده در یکدیگر به بدنه گنبد محکم شد.
دور ساقه بلند و کشیده گنبد چهار قابکتیبه و زیر هر یک از این قابها یک دریچه بهشکل پنجره فولاد گشوده شده که نور داخل گنبدخانه و دسترسی به فضای میان پوشهای گنبد را فراهم میسازد. قسمت بالای ساقه نیز آراسته به یک قابکتیبه طوماری سراسری است. بر نوک گنبد، میله و طوقی از طلا قرار دارد که درون طوق، نام مبارک «الله» را به خط ثلث نوشتهاند. کتیبه طوماری بالای ساقه به زبان عربی، متعلق به دوره عباس اول صفوی است. این کتیبه مشبک فلزی که با قلم ثلث بر زمینه لاجوردی نگاشته شده، به سفر پیاده شاه عباس در سال ۱۰۱۰ قمری از اصفهان به مشهد و زیارت و بازسازی حرم مطهر اختصاص دارد. در قابی کوچک در انتهای کتیبه نوشته شده: «سَنَهِ ألفٍ وَ عَشرٍ وَ تَمَّ فی سَنَهِ ألفٍ وَ سِتَّ عَشرَهَ ۱۰۱۶» و داخل یک قاب کوچک دیگر در زمینه کتیبه درست زیر نام شاهعباس، نام خوشنویس به قلم نستعلیق با عبارت «کَتَبَه اَلعَبد علیرضا اَلْعَبّاسی» آمده است.
شاه تهماسب اول، دومین پادشاه صفوی، برای اولین بار، گنبد حرم امام رضا (ع) را طلا کاری کرد. تهماسب در شرق کشور مسئله بزرگ و کهنهای داشت و آن، دست درازی و غارتهای پی درپی قوم ازبک بود. تهماسب توانست در پنجمین سال حکومت خود، در حالی که هنوز ۱۶ بهار از عمرش نگذشته بود، عبیدالله خان ازبک را شکست داده و این قوم مزاحم را موقتاً از خراسان فراری دهد.
شاه که پیش از جمع کردن لشکر پریشان و هجوم نهایی بر مهاجمان، به مشهد رفته و در حرم مطهر از حضرت رضا (ع) استشفاع نموده بود، پس از پیروزی به مشهد بازگشت و تصمیم گرفت گنبد مطهر و گلدسته کنار آن را از طلا بپوشاند.
طلاکاری گنبد حرم امام رضا (ع) هم از جهت استفاده از پوشش فلزی بر روی آن و هم استفاده از جنس و رنگ طلایی، یک نوآوری و ابداعی خلاقانه بوده که احتمالاً تا آن زمان، در دنیای اسلام نظیری نداشت. این نما به صورت خشت های مسی روکش شده با ورقه های نازک طلا اجرا می شد.