Située au coeur de l'ancienne « carrière », rue en provençal, et classée au titre des Monuments Historiques depuis 1924, la synagogue d'une très grande originalité est remarquablement conservée.
Construite à la fin du XVe siècle sur les fondations d'une ancienne maison, la synagogue ne conserve de cette époque qu'une partie de la salle basse et la tour d'escalier. Reconstruite en partie au-dessus de la rue hébraïque au XVIIIe siècle, elle est conçue sur deux niveaux superposés et son agencement revêt des spécificités propres aux communautés du Comtat Venaissin et d'Avignon.
Le vocabulaire architectural et ornemental, unique a monde, qui se retrouvait dans les quatre synagogues du Comtat au XVIIIe siècle est conservé uniquement à Cavaillon et Carpentras.
La synagogue était un élément majeur de la vie de la communauté, à la fois lieu de prières, de réunion mais aussi école. Elle accueille désormais le Musée juif comtadin (Musée de France) qui possède une riche collection d'objets cultuels et de manuscrits témoignant de la vie collective des « juifs du Pape »