Tổng thể kiến trúc gồm có: nhà Tả vu, nhà Hữu vu, nhà bia, trụ biểu, tứ trụ, cổng tam quan, nhà đón tiếp, nhà hành lễ, sân, vườn, hệ thống đường bậc, bãi quay xe.

Đường từ chân núi lên đến cửa đền gồm 553 bậc đá, trên đường đi có nhà đón khách và chỗ dừng chân. Cổng tam quan xây cao 5,8m có ba lối vào, lối chính cao 2,2m, mái cổng lợp dán ngói mũi hài, các đao góc, các hoạ tiết chạm khắc mô phỏng hình chim Lạc. Điểm nhấn của tiền cảnh đền là bia và trụ bia làm bằng đá một mặt khắc chữ nôm, mặt kia khắc chữ quốc ngữ ghi lại thời kỳ xây dựng đền với sự đóng góp công đức của đồng bào cả nước.

Đền được dựng theo kiến trúc truyền thống với cột, khung, sườn, mái, vách ngăn bằng gỗ lim; mái lợp ngói mũi hài, tường xây bằng gạch bát.

Khu đền chính gồm một đền thờ chính và hai nhà Tả vu, Hữu vu nằm hai bên, kiến trúc kiểu chữ đinh. Riêng thành lan can được chạm khắc các hoạ tiết hình chim Lạc và các hoạt động văn hóa dân gian thời kỳ Đông Sơn. Nội thất trong đền gồm tượng Mẫu và hai tượng Lạc Hầu, Lạc Tướng được đúc bằng đồng với khối lượng khoảng 2 tấn. Tượng Mẫu Âu Cơ cơ bản lấy theo mẫu tượng đang thờ ở đền Mẫu Âu Cơ tại xã Hiền Lương (huyện Hạ Hòa - Phú Thọ), chỉ điều chỉnh đôi chút.

Vật liệu được lựa chọn công phu, đạt tiêu chuẩn chất lượng cao. Các nhang án, đại tự, câu đối, bệ đặt trống đồng, giá treo chuông, treo chiêng, y môn... được sơn son thiếp vàng trên chất liệu gỗ quí. Hai bên Tả vu là hai bức phù điêu khắc họa cảnh 50 người con theo cha xuống biển, 50 người con theo mẹ lên núi bằng chất liệu gò đồng.

Do đặc thù nằm trên núi cao có độ chênh cốt lớn nên hệ thống sân vườn được xây dựng khá kỳ công, xung quanh đền chính được xây kè bằng 3 lớp, lớp trong cùng là tường chắn bằng bê tông cốt thép, lớp giữa xây bằng đá hộc, lớp ngoài ốp bằng đá ong lấy từ vùng làng cổ Sơn Vi, Thanh Đình huyện Lâm Thao (Phú Thọ).

Công trình đã sử dụng hơn 8.000m³ đá, 5.300 tấn cát sỏi, 68.000 tấn xi măng, 250m³ gỗ lim.

Đền Quốc mẫu Âu Cơ được hoàn thành đúng vào dịp lễ hội Đền Hùng - Quốc lễ năm 2005.