کاروانسرای ایلخانی در بیستون و بر روی بقایایی از یک بنای سنگی دوره ساسانی معروف به کاخ خسرو ساخته شده است. ایلخانیان با الحاق دیوارهایی به دیوارهای محیطی بنای ساسانی، این کاروانسرا را احداث نمودند.

این کاروانسرا به ابعاد 85×80 متر با لاشه سنگ و آجر به همراه ملاط گچ ساخته شده است.

درگاه ورودی این کاروانسرا در جبهه شرقی بنا قرار دارد و به حیاط مرکزی منتهی می شود. در اطراف حیاط نیز مجموعه ای از اتاق های مستطیل شکل دیده می شود. در سه ضلع شرقی، شمالی و جنوبی، ایوان ها و اتاق ها قرار دارند و در کنار هر ایوان دو اتاق ساخته شده است. در ضلع غربی در جلوی هر اتاق، ایوان کوچکی وجود دارد.

دیوارهای این کاروانسرا تا قسمت پاکار قوس با لاشه سنگ و از پاکار تا تیزه قوس با آجر چیده شده است. در داخل حیاط مرکزی آن، مسجد کوچکی به چشم می خورد. در کنار این مسجد نیز سکویی مربع شکل احداث شده است و در هرگوشه آن پشتبند مستطیل شکلی قرار دارد. در مرکز این سکو نیز فضای مدور تو خالی ایجاد شده است. متأسفانه کاربرد این سکو تاکنون مشخص نشده است./س