大成殿是文庙的主殿，位于第二进院纵轴线上。
大成殿有三层丹墀，阔七间，进深五间，殿高31.8米、阔49.7米、进深47.5米。盝顶重檐，铜瓦飞甍，斗拱交错、雕梁画栋。40根金柱，柱高6米，直径0.8米，紫铜斗拱，雕饰云龙纹；殿脊装饰龙吻，盖黄铜瓦；四周有回廊，环廊宽4米，为雕花汉白玉栏杆，四周有台阶可上高台进入大殿；殿前有拜台，复道四通，是进香祀孔之所，陛下为双龙戏珠纹，殿内顶饰小篆《论语》名句。整个大成殿气势雄伟，结构整齐，具有显著的东方建筑特色。
头上“大成殿”的匾额是完全以曲阜文庙匾为范本的，字迹雄浑有力。故专家称誉“北有曲阜，南有柳州”。
柳州文庙大成殿设计匠心独具，建筑体量成国内之最。重檐盝顶仿唐建筑的大成殿，高30米，宽49.7米，纵深47.5米，矗立于5.8米高的台基之上，为整个文庙建筑群中的核心主体，也是柳州文庙祭孔大典的中心场所。此处浮光耀金，结构庄严，规模宏大，让人顿生肃穆之情。大成殿台基高5.85米，丹墀共三层，平步处采用福建田黄青石砌就。中间宽3.6米、长18米的御道上，饕餮纹环绕四围，19条高浮雕的飞龙神态各异，有九五至尊的王者之气，与金光宝气的大成殿金顶相互辉映。大成殿环廊的24根紫铜包装的莲花腾龙柱，柱高6米，直径0.8米，也是一大亮点，衬托出大成殿的威严与厚重。
端坐于殿中的孔子铸铜圆雕帖金座像，连基座高4.25米，像高3.5米，重1.2吨。座像身着十二章帝王服，头戴十二旒冠冕，威严中透着儒雅，睿智中显现仁爱，也彰显着古来孔子的精神领袖地位。这尊孔子坐像，材质之精、工艺之精湛、造型之美，在国内文庙中屈指可数。
柳州孔庙大成殿西侧配祀“宗圣”曾子、“亚圣”孟子像，东侧配祀“复圣”颜渊、“述圣”子思坐像，这些弟子坐像均为生漆脱胎彩绘座像，通高3.8米，像高2.6米，着九章帝王服，头戴九旒冠冕，他们或讲学、或吟咏、或行礼，神情形态各异，亦堪称国内文庙塑像中的精品。
柳州文庙大成殿东侧配祀“复圣”颜渊、“述圣”子思。
大成殿中藻井设计，亦是柳州文庙的首创。藻井通透，可见天空，寓意孔子思想与天地相通共融。大成殿内的四周饰以66000多平方米的紫铜板，紫铜板上用蚀刻工艺雕刻《论语》名句，以此衬托孔子思想的博大精深。
