Đền Đồng Xâm là cả một quần thể di tích có quy mô hoành tráng, rộng lớn trong đó thờ Triệu Vũ Đế, đền thờ Trình thị Hoàng hậu (vợ vua Triệu Vũ Đế) và đền thờ Nguyễn Kim Lâu (vị tổ nghề chạm bạc cổ truyền) cùng hệ thống đền chùa nằm kề sông Vông.
Trung tâm của cụm di tích của đền Đồng Xâm là một tổng thể kiến trúc đồ sộ với gần 10000m2 xây dựng với nhiều công trình kiến trúc hùng vĩ và tuyệt đẹp như Vọng Lâu, Thuỷ toạ, Hoành mã, Sân tế, toà tiền tế, phương đình, toà điện thờ, hậu cung, nhà thờ tổ sư nghề chạm bạc...
Thuỷ toạ là một ngôi nhà hình lục lăng cao chất ngất gồm sáu cửa vòm quay ra các hướng, từ đây du khách có thể ngắm được toàn cảnh sân tế và các đường thuyền đua tấp nập trên sông khi có lễ hội.
Toà tiền tế của ngôi đền là một tòa đại đình gồm 5 gian rộng, với quy mô đồ sộ có chiều cao tới 13 mét và kiểu dáng kiến trúc bề thế ít gặp ở các di tích khác. Nối liền toà tiền tế tới hậu cung là toà điện Trung tế được kiến trúc theo kiểu Phương đình. Mặt bằng ở khu vực này được các nghệ nhân xử lý cực kỳ hợp lý, từ ba gian của toà tiền tế được rút lại một gian chính giữa làm nền của toà Phương đình.
Toà Hậu cung của đền được cấu trúc thành hai bộ phận liên hoàn là toà điện năm gian, nối với gian trung tâm là phần chuôi vồ được tôn cao mặt bằng để đặt khám gian. Phía hiên ngoài Hậu cung được bài trí hài hoà bằng những đại tự, cuốn thư, câu đối cùng hệ thống y môn gỗ chạm. Hệ thống cánh cửa khay soi ở ba gian trung tâm của toà hậu cung được chạm thủng với đề tài bát bửu, hoa văn, dây lá, chữ triện trên 12 ô cửa của Hậu cung tạo cảm giác lâng lâng thoát tục cho du khách trước khi bước qua ngưỡng cửa vào đây.
Khám gian đặt tại Hậu cung là một tác phẩm độc đáo mang nét đặc thù của làng nghề chạm bạc, đồng, sắt. Khám gian được phong kín bằng những lá đồng chạm thủng với các đề tài khác nhau như tứ linh, tứ quý... Trong khám thờ đặt tượng Triệu Vũ Đế và Hoàng hậu Trình thị, cỡ tượng to tương đương người thật và đều được đúc bằng đồng khảm vàng, bạc, thiếp bạc...
Có thể nói, đền Đồng Xâm có thể xem như một tập đại thành của nghệ thuật chạm khắc gỗ, đá, kim loại, đắp vữa của Việt Nam thời Nguyễn.