Talhatan Baba Camii, süsleme programı açısından dikkat çekicidir. Tezyinatta daha çok tuğlanın çeşitli şekilde istiflenmesiyle oluşan düzenlemelere ağırlık verilmiştir. Yapının dış cephesi açılan nişlerle hareketlendirilmiştir. Dış cephe tuğla malzeme kullanılarak geometrik ve bitkisel bezemeyle işlenmiş olup ince bir işçilik gösterir.
Karahanlı şaheserleri arasında gösterilen caminin dış cephesinde ise sonradan kaldırılmış destek payandaları bulunmaktadır. Caminin cepheleri üzerinde sivri kemerli nişler açılarak hareketlendirilmiş, ayrıca tuğla malzemenin elverdiği ölçülerde bitkisel ve geometrik bezemeler yapı üzerine işlenmiştir. Caminin kuzey cephesinde ise üçlü bir giriş açıklığı bulunmaktadır. Daha geniş ve diğerlerinden yüksek tutulan orta girişin doğusunda ve batısında yer alan nişler hem Anadolu’da hem de Anadolu dışında bir çok eserde karşımıza çıkmaktadır. Son dönemlerde restore edilen yapının kuzeyini ve doğusunu kapsayan ahşaptan bir son cemaat yeri ve yan galeri eklenmiştir. Caminin duvar kalınlığı 1.50 m. ölçüsündedir.
Talhatan Baba Camii'nden önce diğer İslâm devletlerinde böyle bir plan şemasının bulunmaması ise oldukça ilginçtir. İlk olması bakımından önemli bir yere sahip olan yapı hakkında cami olmayacağı konusunda da bazı tartışmalar ortaya çıkmıştır.
Karahanlılar mimarisinin zirve noktası kabul edilen Talhatan Baba Camii, Anadolu Türk mimarlığı açısından da önemli bir yere sahiptir. Camilerde mekân birliğini sağlamak amacıyla denenen kubbeli örneklerin temsilcisi olan söz konusu bu cami, Mimar Sinan’ın merkezi mekân anlayışıyla inşa ettiği camilerin kaynağını oluşturması bakımından dikkate değerdir. Bu vurguyu biz asırlar sonra Mimar Sinan'ın eserlerinde görmekteyiz ve zirve noktası da şüphesiz Selimiye Camii'dir. Bu nedenle cami mimarisinin tarihteki üslup olarak seyrine bakıldığında bizi zirve noktaya getiren üslup Talhatan Baba Camii ile başlar.
Büyük Selçuklu Sultanlarından biri olan Sultan Sencer I. Melikşah'ın oğludur. 1086 yılında Sincar'da doğmuştur. Annesi cariye kökenli Taceddin Seferiyye Hatun'dur. Karısı Karahanlı hanedanından Türkân (Terken) Hatun'dur. Çiftin evliliklerinden iki erkek, dört kız olmak üzere toplamda altı çocukları olmuştur. Sultan Sencer, 20 yıl Horasan valiliği yaptıktan sonra sancılı bir sürecin akabinde 1118-1157 yılları arasında Büyük Selçuklu Devleti'ni 39 sene başarıyla yönetmiştir. Sultan Ahmed Sencer, 8 Mayıs 1157'de ölmüştür. Sultan Sencer'in ölümünden sonra Büyük Selçuklu Devleti yıkılmıştır. Türbesi tarihî Merv şehrindedir.
Daha önce de belirttiğimiz üzere Büyük Selçuklu Sultanı Sultan Sencer'in türbesi, tarihî Merv şehrinin 6 km. kadar batısında bulunan Bayramali yakınındaki Köhne (Eski) Merv şehri kalıntılarının merkezinde Sultan Kale (XI-XII. yüzyıl) ortasında yer almaktadır. Türbe Sultan Sencer’in vefatından bir süre önce Serahs Türkleri’nden Muhammed b. Atsız tarafından yapıldığı düşünülmektedir. Türbeye bizzat Sultan Sencer tarafından "Dar'ül Ahiret (Ahiret Evi)" adı verilmiştir. Türbe halk arasında "Devlethâne" olarak anılmaktadır.
Ortaçağ coğrafyacılarından Yakut, Sultan Sencer'in gömüldüğü yerin camiye bitişik olduğunu ve üzerine daha sonraları türbe inşa edildiğini, cami ve türbenin birbirinden ayrıldığını, bitişiğinde başka yapılar da bulunduğunu belirtmiştir.Yapının çevresinde gerçekleştirilen arkeolojik kazılarda Yakut tarafından bahsedilen bu yapılara ait kalıntılar bulunmuştur. Kazılar sırasında türbenin yalnız başına bir yapı olarak tasarlanmadığı, büyük bir bahçenin ortasında yer aldığı anlaşılmıştır. Türbe ve çevresinde 1937 ve 1996 tarihlerinde başlatılan kazı çalışmaları yapılmıştır. 1996 yılında gerçekleştirilen kazılarda türbenin güney tarafında bir çarşı ve han ortaya çıkarılmıştır.
