Комплекс кенасс был построен в начале XIX века по проекту Самуила и Соломона Бабовичей. В 1805 году было закончено возведение Большой соборной кенассы, а в 1815 году на месте обветшавшего караимского храма XVI века сооружено здание Малой кенассы.
Обе кенассы представляют собой двусветные здания зального типа с окнами, расположенными в два уровня. В Большой кенасса верхний ряд окон имеет стрельчатое завершение, в Малой — полукруглое. Северные фасады обрамлены остеклёнными арочными галереями-верандами (азара), где ожидали начала службы старейшины общины. Входы в здания выполнены в форме стрельчатых арок, украшенных резьбой по камню. Кровля зданий — черепичная четырёхскатная.
В 1851 году в память о посещении кенасс императором Александром I (ноябрь 1825) был установлен мраморный обелиск.
В 1927 году оба храма были закрыты. В 1942 году, во время немецкой оккупации, была открыта Малая кенасса, тогда же в Большой кенассе был воссоздан музей караимов. Последнее закрытие храма произошло в 1959 году.
В разные годы в зданиях комплекса располагались различные советские учреждения: антирелигиозный музей, курсы медсестер, спортивные секции, детский сад, бюро технической инвентаризации, краеведческий музей.