Nusretiye camiinin yerinde ilk olarak 18. yüzyılın sonlarında Tophane yakınlarında Sultan Selim III'n yaptırdığı Tophane-i Amire Arabacılar Kışlası Camisi bulunmaktadır. Daha sonra Ahşap cami, 1823'teki Tophane Semtini büyük oranda etkileyen Firuzağa yangınında yok olmuştur. Sultan Mahmut II. 1826 yılında caminin yeniden yaptırılarak ibadete açılmasını sağlamıştır . Caminin mimarı Balyan ailesinin ilk kuşağından Meremeti Bali Kalfa 'nın oğlu Kirkor Amira Balyan'dır .Camii Tek kubbeli ve iki minarelidir. Minareler çok incedir ve yüzeyleri olukludur. Cami döşemesi mermerdir.Caminin süsleme yazıları Mustafa Rakım Efendi ve Şakir Efendi'ye aittir. Caminin büyük giriş kapısı üstündeki yazı Yesarizade Mustafa İzzet Efendi'ye aittir. Kapının karşısında sebil bulunmaktadır .
