Chùa được xây dựng từ đời vua Lý Nhân Tông (1072 - 1128). Ban đầu chùa chỉ là một thảo am nhỏ gọi là Hương Hải am, nơi thiền sư Từ Ðạo Hạnh trụ trì. Sau đó, vua Lý Nhân Tông đã cho xây dựng lại thành hai cụm chùa: chùa Cao (Đỉnh Sơn Tự) trên núi và chùa Dưới (Thiên Phúc Tự). Đầu thế kỷ 17, Dĩnh Quận Công cùng hoàng tộc chăm lo việc trùng tu, xây dựng điện Phật, điện Thánh, nhà hậu, nhà bia và gác chuông.
Theo thuyết phong thủy, chùa được xây dựng trên thế đất hình con rồng, quay mặt về hướng nam, trải dài theo một triền núi. Chùa Thầy được dựng ở chân núi Sài Sơn quanh co, uốn lượn như đuôi rồng, phía trước là hồ Long Trì (ao rồng). Chùa nằm trên khu đất hàm rồng, sân cỏ trước là hàm trên của rồng, bờ hồ bên trái là hàm dưới, miệng rồng há ra đón hòn ngọc là Thủy Đình; hai dải đất rộng ra hai bên là hai chân trước của rồng ôm lấy chùa; hai cầu Nhật Tiên Kiều và Nguyệt Tiên Kiều là răng nanh của rồng; hai bên có giếng tượng trưng cho mắt rồng; hai cây gạo khúc khuỷu vươn lên trời trước chùa là râu rồng; ba lớp chùa Hạ, Trung, Thượng là đầu rồng; hành lang hai bên chùa có gác chuông, gác trống là tai rồng.
Chùa Thầy được xây dựng theo kiến trúc tiền Phật hậu Thánh, thể hiện sự hội nhập giữa tín ngưỡng bản địa với tín ngưỡng Phật giáo. Chùa Thầy có cấu trúc hoàn chỉnh theo bố cục “nội công ngoại quốc”, chồng dường kèm giá chiêng, bao gồm ba tòa song song với nhau là chùa Hạ, chùa Trung và chùa Thượng. Giữa chùa Hạ và chùa Trung có tòa Thiêu hương (ống muống) nối với nhau, không có ván cột, chỉ có lan can gỗ chạm chấn song con tiện ở hai bên, tạo thành thế hạ công thượng nhất. Xung quanh chùa có hai dãy hành lang dài nối gác chuông, gác trống thành một khung hình chữ nhật, tạo cho chùa một không gian thoáng bên trong nhưng lại kín đáo bên ngoài.
Chùa Thượng tách biệt hẳn, ở vị trí cao nhất, biển đề Đại hùng Bảo điện, đồng thời là điện Thánh. Trong điện Thánh có cung Thánh với diện tích nhỏ, khép kín tạo nên vẻ huyền bí, linh thiêng. Ngoài ra, tại đây còn xây dựng những miếu thờ Thần để Phật hóa Thần càng thể hiện rõ nét hơn sự hội nhập tín ngưỡng.
Những tòa chính của chùa được xây trên nền rất cao, thấp nhất là hành lang và nhà hậu cũng được làm trên nền cao 1m, tiền đường (chùa Hạ) cao hơn 1m, điện Phật (chùa Trung) cao 1,76m, cao nhất là điện Thánh (chùa Thượng) cao 2,2m. Phía trước chùa là một sân rộng nhìn ra hồ Long Trì. Nằm giữa hồ nước xanh Long Trì là nhà Thủy Tạ kiểu phương đình, gồm hai tầng tám mái chồng diêm xoè ra bốn phía tựa bông sen khổng lồ mọc lên từ hồ nước.
Nghệ thuật điêu khắc được thể hiện rõ nhất ở hệ thống tượng trong chùa. Các nghệ nhân đã phối hợp giữa hai chất liệu gỗ và đất để tạo hình cho những pho tượng. Ở chùa Thầy có hai hệ thống tượng chính: hệ thống tượng Phật và hệ thống tượng Thánh.
Chùa Hạ là nhà tiền tế, bày các tượng Đức Ông, Thánh hiền. Tòa Thiêu hương để tượng Bát bộ Kim Cương. Hệ thống tượng Phật được đặt chủ yếu ở chùa Trung. Các pho tượng được bố trí trên hai trục chính: Trục ngang (thời gian) là bộ tượng Tam Thế (quá khứ, hiện tại, tương lai) và trục dọc (không gian) gồm tượng Tuyết Sơn - Di Lặc - Thích Ca sơ sinh. Mỗi nhóm tượng đều được các nghệ nhân chú trọng lột tả thần thái, cách tạo hình ứng với chức năng của tượng.
Hai bên hành lang là hệ thống tượng 18 vị La Hán, hiện thân của những người tu hành xuất thân từ nhiều tầng lớp có tiểu sử, cá tính, lối tu khác nhau do vậy cũng là nhóm tượng sinh động, hiện thực, tạo nhiều cảm hứng.
Tượng Từ Đạo Hạnh ở ba kiếp khác nhau (Tăng, Phật và Đế vương) được thờ trong điện Thánh. Bên trái thờ tượng toàn thân thiền sư bằng gỗ bạch đàn, đặt trên ngai, sau lưng ngai chạm trổ hình đầu rồng, lưỡi búa, sừng tê, ngọc báu... Chính giữa là tượng thiền sư khi đã thành Phật, đội mũ hoa sen, tay chắp trước ngực, khoác áo cà sa vóc vàng, đặt trên một bệ tượng bằng đá thời nhà Lý, có hình sư tử đội toà sen. Bên phải là tượng thiền sư sau khi đã hóa thân, đầu thai làm con trai của Sùng Hiền Hầu và trở thành vua Lý Thần Tông. Chùa Thầy còn thờ tượng cha mẹ thiền sư Từ Đạo Hạnh là ông Từ Vinh và bà Tăng Thị Loan cùng hai người bạn đồng đạo thân thiết của thiền sư là thiền sư Minh Không và thiền sư Giác Hải.
Hội chùa Thầy diễn ra từ ngày mùng 5 đến ngày mùng 7/3 âm lịch hàng năm thu hút nhiều tăng ni từ các nơi khác trong vùng cùng về đây dự lễ. Lễ cúng Phật và trai đàn - một diễn xướng có tính chất tôn giáo - được thực hiện có sự phối hợp của các nhạc cụ dân tộc. Đến nay, chùa Thầy vẫn cuốn hút khách hành hương đến vãn cảnh, cầu phúc, cầu tài, và hấp dẫn các nhà nghiên cứu tìm hiểu về giá trị nghệ thuật, thẩm mỹ, lịch sử, tôn giáo nơi đây.