Tương truyền, Thái thượng lão quân vốn mang họ Lý tên Đam, là người phương Bắc sống vào thời Vua An Dương Vương. Vì có công giết giặc Xích Quỷ, mở trường dạy học tại làng Thổ Hà nên các triều đại phong kiến đã sắc phong ông làm Thượng Đẳng Thần và Thành Hoàng Thái Thượng, đồng thời cho phép dân làng lập đình thờ phụng.
Đại đình có chiều dài 27m, rộng 16m, gồm 5 gian 2 chái. Thành phần chịu lực chính của nhà là 48 chiếc cột, trong đó có 8 cột cái, 16 cột quân và 24 cột hiên. Liên kết ngang của ba gian giữa là các bộ vì nóc, vì nách (vì nóc làm theo kiểu giá chiêng, vì nách làm theo kiểu chồng rường), hai gian còn lại là hai bộ vì lửng và hai chái là bộ vì theo kiểu chồng rường. Dọc theo nhà có ba hàng xà kép là xà thượng, xà trung, xà hạ. Giữa các hàng xà được bưng ván gió. Mái nhà được lợp ngói mũi hài với bốn góc mái uốn cong hình đầu đao và có gắn tượng rồng, phượng, nghê… bằng sành nung. Trên bộ khung mái cũng được chạm trổ tinh vi nhiều cảnh trí sinh động. Nền nhà được lát đá xanh. Bộ cửa võng được thếp vàng và chạm trổ các hoa văn tinh xảo.Nhà Tiền tế có 3 gian 2 chái, mái lợp ngói mũi hài, bờ nóc và bờ dải gắn hình hoa chanh. Bộ khung nhà được kết cấu bởi 4 hàng cột thân nhỏ. Tại gian giữa, vì nóc được làm theo kiểu giá chiêng, vì nách theo kiểu kẻ ngồi dưới, kẻ có bẩy đua ra đỡ mái hiên. Hai gian còn lại, vì nóc được làm theo kiểu chồng rường. Ở hai chái, vì nách cũng được làm theo kiểu chồng rường.Đình được khởi dựng từ năm 1686, theo hình chữ Công, trên diện tích 3.000m². Trước đình là dòng sông Cầu thơ mộng; xung quanh là những cây cổ thụ cành lá xum xuê. Sau nhiều lần tu sửa, kiến trúc hiện nay của đình gồm có nhà Tiền tế, Đại đình và Hậu cung.
Hậu cung gồm 3 gian, được làm theo kiểu “ tường hồi bít đốc”, hai đầu hồi nhà có đắp hình hổ phù; bờ dải làm theo kiểu “long đình”. Đây là lối kiến trúc có niên đại muộn, phổ biến vào cuối thế kỷ 19.
Ngày 13/1/1964, đình Thổ Hà được Bộ Văn hoá - Thông tin nay là Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch ra quyết định công nhận là di tích kiến trúc nghệ thuật cấp quốc gia.Ngoài nét kiến trúc đặc sắc tiêu biểu cho nền nghệ thuật điêu khắc từ thế kỷ 16 đến thế kỷ 18, hiện đình Thổ Hà còn lưu giữ một số câu đối sơn son thiếp vàng, nhiều tấm bia, trong đó điển hình là bia “Thủy tạo đình miếu bi” nói về việc xây dựng đình; “Cung sao sự tích thánh” nói về sự tích Thái thượng lão quân và “Bia sao sắc phong” sao chép lại các đạo sắc phong của các triều đại phong kiến phong tặng cho Thành hoàng làng.