Vào thời Lý, vua Lý Thần Tông (1128-1138) cho lập ở vị trí này một cung điện mang tên cung Từ Hoa để công chúa Từ Hoa cùng các cung nữ trồng dâu, nuôi tằm, dệt vải nằm bên trong khu vực có tên là Trại Tằm Tang. Vào đời Trần (1225 – 1413), trên nền cũ của cung Từ Hoa dựng lên một ngôi chùa; trại Tằm Tang đổi thành phường Tích Liên và chùa được mang tên Đống Long. Năm 1639, dưới triều vua Lê Thần Tông, chùa được tu sửa lại là Chùa Đại Bi. Năm 1771 đời Lê Cảnh Hưng chùa được trùng tu, sửa chữa lớn và mang tên Kim Liên Tự (chùa Kim Liên). Năm 1792 - 1793, đời vua Quang Trung, chùa được xây dựng lớn, về diện mạo cơ bản giống như hiện nay.
Kiến trúc của chùa Kim Liên mang dáng vẻ cung đình. Toàn bộ cổng chùa được làm bằng gỗ, khá đồ sộ và chạm khắc công phu. Các hoa văn được khắc trên vì kèo, đầu cột, đầu mái chùa, chủ yếu là hình hổ phù, lá và hoa sen, hình rồng cách điệu, mây vờn... Đây là lối kiến trúc có từ thế kỷ 17 trở về trước và chỉ phổ biến ở Đàng Trong.
Bố cục của chùa bao gồm một trục đối xứng từ tam quan đến nhà Tổ. Tam quan với toàn bộ kết cấu có mái che được đỡ từ các thân cột. Từ giữa các thân cột, những con rường vươn dài tạo nên bộ vì nóc đỡ mái. Cổng tam quan của Chùa Kim Liên là một kiến trúc độc đáo với hai tầng, 8 mái bằng gỗ mang màu sắc cung đình, với những bức chạm nổi trên mặt gỗ hình rồng hoa văn cực kỳ tinh xảo. Bộ mái lợp ngói vảy cá nhiều tầng, ở giữa đột ngột vươn cao như bông sen tỏa nở trên mặt nước Tây Hồ. Từ xa nhìn lại tam quan của chùa Kim Liên toát lên một vẻ đẹp thầm kín và kiêu hãnh, vừa trang nghiêm, vừa lộng lẫy, lại hòa nhập vào cây xanh, nước biếc xung quanh. Phía trong tam quan có đặt 2 tấm bia đá.
Từ tam quan đi vào một khoảng sân dẫn vào ba nếp chùa xếp song song theo hình chữ "tam" (三), thứ tự từ chùa Hạ, chùa Trung quay mặt về hướng tây đến chùa Thượng quay mặt về hướng đông.
Chùa Hạ là một ngôi nhà với 5 gian, 6 hàng cột, 2 tầng, 8 mái. Trên bờ nóc được trang trí hình đầu rồng. Hai bên đầu hồi được trổ cửa sổ tròn theo chữ nhà phật sắc sắc – không không. Bộ khung nhà chạm trổ các hình hoa sen, lá, mây, rồng theo phong cách thời Lê Trung Hưng. Chùa Trung có 1 gian, 2 chái cao hơn chùa Hạ nhưng hẹp hơn. Chùa Trung có 2 tầng, 8 mái và được nối với chùa Hạ bằng một đường ống máng chung. Chùa Thượng có kích thước và trang trí như chùa Hạ và cũng được nối với chùa Trung bằng một đường ống máng chung. Phía sau chùa Thượng là nhà thờ Tổ được trang trí đơn giản hơn các chùa.
Tại chùa Kim Liên còn giữ được nhiều pho tượng đẹp bao gồm tượng phật, tượng Bồ Tát, Công chúa Từ Hoa. Các pho tượng Phật được bày thành hai lớp, trên cùng là bộ Tam thế, tiếp theo là tượng A-di-đà ngồi thiền trên toà sen 3 lớp cánh, tượng Quan Thế Âm cũng ngồi trên toà sen 3 lớp và tượng Đại thế chỉ ở hai bên ngoài, cùng Anam, Ca diếp là hai đại đệ tử của Đức Phật. Lớp dưới là Quân âm chuẩn đề, tượng Ngọc Hoàng, dưới cùng là tòa Cửu Long. Đặc biệt, trong chùa có một pho tượng gỗ được xác định là tạc cách đây hơn 200 năm. Tượng cao khoảng 1,7m, hình một người trung niên, râu ba chỏm, tay cầm hốt, đầu đội mũ niệm, nhưng lại mặc áo cà sa. Có thuyết cho rằng đó là tượng chúa Trịnh Giang hoặc chúa Trịnh Sâm nhưng cũng có thuyết cho đó là tượng vị hòa thượng trông coi chùa, mà vị này nguyên là nội thị trong phủ chúa Trịnh.
Đáng chú ý nhất là tượng Quan âm Nam Hải 42 tay, các bàn tay xếp so le rất tinh xảo, tượng cao 1,2m đặt trên tòa sen gỗ hình lục lăng. Lại có cả tượng Tôn Ngộ Không gỗ phủ sơn cao 1,1m khá sinh động. Nhìn từ bất cứ góc độ nào, người xem đều thấy Tôn Ngộ Không như sắp hành động. Tượng Văn Thù ở tư thế đứng, hai bàn tay chắp lại, hai ống tay áo ép sát ngực, vẻ đăm chiêu như đang niệm Phật. Nhưng vẻ bình thản trên nét mặt lại không hòa hợp với sự rung động trên nếp áo cà sa. Nét tương phản này làm lộ ra sự mâu thuẫn giữa cái bình lặng vừa có với cái náo động đang vương vấn, khiến cho pho tượng toát lên vẻ lo âu. Rồi tượng Xá Lợi cao 1,5 mét… Các pho tượng đều mang phong cách điêu khắc thế kỷ 18-19.
Cùng với hệ thống tượng quý, chùa Kim Liên còn lưu giữ được một tấm bia cổ niên hiệu Thái Hòa tam niên Ất Sửu - tức năm 1445 thời Lê Nhân Tông. Đây là tấm bia cổ nhất ở Hà Nội hiện nay.
Chùa Kim Liên là một trong 12 di tích đã được Bộ văn hoá Thể thao Du lịch công nhận là Di tích lịch sử - văn hoá cấp quốc gia đợt đầu tiên ở Hà Nội năm 1962.