1811 wurde in der heutigen Stadttorstraße ein Fachwerkgebäude errichtet, das die Synagoge der jüdischen Gemeinde beheimaten sollte. Das Gebäude erfüllte vielfältige Funktionen: So gab es einen Synagogenraum, gleichzeitig bot es Platz für die jüdische Schule und hielt eine Wohnung für den Synagogendiener oder Hausmeister bereit. Um den Bau des Gotteshauses zu finanzieren, lieh sich die jüdische Gemeinde 150 Reichstaler von der katholischen Pfarrgemeinde St. Marien.
1833 wurde eine eigene Synagogenordnung erlassen, in der zahlreiche Belange des Gottesdienstes geregelt wurden. So wurde festgelegt, dass in der Synagoge das Essen und Trinken untersagt sei, Eltern sollten ihre Kinder zur Ruhe ermahnen und man solle in angemessenem Schuhwerk und nicht gar in Pantoffeln erscheinen.
Die im Synagogengebäude ansässige jüdische Schule wurde über viele Jahre durch wechselnde Lehrer betreut. Erst 1822 wurde Lehrer Herz Horn dort fest angestellt. Horn verrichtet ganze 51 Jahre seine Lehrertätigkeit in Lünen. Am Ende seiner Dienstzeit wurde ihm das „Allgemeine Ehrenzeichen“ der Preußischen Regierung verliehen.
Die jüdische Schule wurde über viele Jahrzehnte nur von recht wenigen Schülern besucht. Die Schülerzahl war so gering, dass in den 1880er Jahren erwogen wurde, die Schule zu schließen. Doch bereits in den 1890er Jahren stiegen die Schülerzahlen wieder an, auch nichtjüdische Kinder nahmen nun am Unterricht teil. 1908 wurde sie als öffentliche Volksschule anerkannt. 1931 wurde schließlich Manfred Höxter Lehrer in Lünen. Er konnte hier nur wenige Jahre wirken: Im Sommer 1933 wurde die jüdische Schule geschlossen. Das noch bestehende Schulvermögen sprach der Bürgermeister von Lünen 1938 eigenmächtig der Stadt zu.
Die Synagoge hatte noch einige Jahre länger Bestand: Noch 1930 plante man einen Neubau an der Wilhelmstraße, wieder mit angeschlossener Schule und Hausmeisterwohnung. Doch dazu kam es nicht mehr. Während der Reichspogromnacht im November 1938 kam es auch in Lünen zu Gewalttätigkeiten und Ausschreitungen gegenüber den jüdischen Bürgern und Einrichtungen der jüdischen Gemeinde: Mitglieder der SA und SS zerschlugen die Fenster des Gebäudes, zerschossen die Lampen, schleppten die Inneneinrichtung der Synagoge und der ehemaligen Schule auf den Marktplatz und verbrannte sie dort. Man versuchten außerdem, das Synagogengebäude in Brand zu stecken. Das beherzte Eingreifen des Hausmeisters verhinderte dies.
1939 kaufte die Stadt das Gebäude von der jüdischen Gemeinde. Die Synagoge wurde zum Lager umfunktioniert, der Schulraum als Küche genutzt. Am 29. November 1944 wurde das Gebäude bei einem Bombenangriff zerstört.