Theo truyền thuyết kể rằng: cách đây 200 năm có một cô gái trẻ tên Lê Thị Hồng (tục danh là Thị Cách) quê ở Phan Rang trên đường đi qua đây thì thuyền gặp giông bão. Cô bị rớt xuống biển tử nạn, xác trôi dạt vào Hòn Hang. Nhân dân vùng này đã chôn cất cô trên đồi Cô Sơn và lập đền thờ gần biển. Từ đó cô luôn hiển linh, mộng báo điềm lành, diệt trừ dịch bệnh nên vào năm 1930 ngư dân trong vùng đã lập đền thờ và tôn xưng cô là Long Hải Thần Nữ.
Lúc đầu Dinh Cô chỉ là một ngôi miếu nhỏ đơn sơ. Năm 1930 Dinh Cô được xây dựng khá khang trang và đến năm 1987 thì được xây dựng lại như hiện nay sau khi bị hỏa hoạn.
Dinh Cô có diện tích trên 1.000m2. Cổng Tam quan vào Dinh Cô nằm dưới chân mũi Thùy Vân, đắp nổi “Long hổ hội”, phía trên có “Lưỡng long chầu nguyệt” và song phụng chầu. Lối lên điện Cô là 37 bậc tam cấp.
Chính điện Dinh Cô bài trí 7 bàn thờ. Ngay trung tâm chánh điện là bàn thờ Bà Cô. Nổi bật với bức tượng Bà Cô cao hơn 0,5m, mặc áo choàng đỏ, viền kim tuyến lấp lánh, đội mũ gắn ngọc. Phía sau cạnh bàn thờ Bà Cô là bàn thờ Diêu Trì Phật Mẫu, Chúa Cậu (Nhị vị Công tử, tức là Cậu Tài, Cậu Quý), Ngũ Hành Nương Nương, Tứ Pháp Nương Nương (Pháp Vân, Pháp Vũ, Pháp Lôi, Pháp Điện), Ông Địa, Thần Tài.
Ngoài chính điện, ngư dân còn lập bàn thờ Cửu Thiên Huyền Nữ, Chúa Ngọc Nương Nương, Chúa Tiên Nương Nương, Chư vị, Bà Mẹ Sanh, Chủ tịch Hồ Chí Minh và miếu thờ Hỏa Tinh Thánh Mẫu, Quan Thánh Đế Quân, Quan Thế Âm Bồ Tát.
Liên quan đến Dinh Cô là Mộ Cô, nằm trên đồi Cô Sơn, cách Dinh Cô chừng 1km. Mộ Cô là một nơi khang trang đẹp đẽ, thu hút nhiều người đến thăm viếng, chiêm bái, đặc biệt là trong dịp diễn ra lễ Nghinh Cô.