Bevor die Buchauer Gemeinde eine Synagoge bauen konnte gab es Beträume in verschiedenen Häusern. 

Die erste Synagoge wurde 1730/31 gebaut. Heute steht, ungefähr an dieser Stelle ein Brunnen in Form eines aufgebrochenen Davidsterns. Über dieses Gotteshaus ist nur wenig bekannt, es hatte eine vergitterte Frauengalerie und war heizbar, ein Hinweis, dass die Synagoge auch als Lehrhaus genutzt wurde.

Nach der Emanzipation 1828 wurde  der Bau einer grossen Synagoge beschlossen. 1839 wurde sie feierlich eingeweiht, ein klassizistischer Bau, der das  Stadtbild prägte. Das Programm der Einweihung ist noch erhalten und zeigt, dass Juden und Christen dieses Fest gemeinsam feierten.  Die Synagoge hatte einen kleinen Turm, in dem erst nur ein Glockenspiel hing. 1854 bekam die Synagoge eine grosse Glocke mit der Inschrift: „Ich freue mich, wenn man mir kündet, wir wollen ins Gotteshaus gehen“.
 

Wie fast alle Synagogen in Deutschland wurde auch die Synagoge in Buchau in der Nacht vom 9. auf den 10. November 1938 in Brand gesetzt. Der Brand war schnell gelöscht, da die Feuerwehr ausrückte und Juden und Christen gemeinsam löschten. Das Kommando aus Ochsenhausen legte in der folgenden Nacht erneut Feuer. Die Feuerwehr rückte wieder aus, durfte aber nur die angrenzenden Häuser schützen.

Am 15. November 1938 mussten die Vorsteher der jüdischen Gemeinde, beim Notar und Bürgermeister, einen Schenkungsvertrag für den Synagogenplatz, das Baumaterial und das angrenzende Rabbinat unterschreiben. Doch den Schenkungsvertrag durfte die Gemeinde nicht annehmen. Bürgermeister Öchsle wurde mitgeteilt, dass die Gemeinde das Missfallen des Reichsministers des Inneren hervorgerufen habe und die Schenkung nicht mit den rassischen Grundsätzen des Nationalsozialismus vereinbar sei. Trotzdem wurde das Baumaterial verkauft.

Der Platz blieb im Besitz der jüdischen Gemeinde. Heute ist der Platz im Besitz der Familie Einstein. Lange Jahre wurde der Platz der Synagoge als Park genutzt. 1951 wurde an der Stelle, an der früher die Thoralade gestanden hatte, eine Trauerweide gepflanzt, die heute noch steht.

Im Oktober 2006 wurden auf einem Privatgrundstück Steine der Buchauer Synagoge gefunden. Die Steine stammen von der mittleren Eingangstüre der Synagoge und befinden sich heute auf dem jüdischen Friedhof.