Đền được xây dựng vào năm 1010 dưới triều vua Lý Thái Tổ. Sau khi dời Đô về Thăng Long, vua cho rước bài vị của thần về ở phía tây bắc thành, gọi là Huyền Thiên Trấn Vũ Đại Đế Quán – phúc thần của kinh thành. Đền là một trong Thăng Long tứ trấn (4 vị thần trấn thành Thăng Long): thần Huyền Thiên trấn phía bắc, thần Bạch Mã trấn phía đông (đền Bạch Mã), thần Linh Lang trấn phía tây (đền Voi Phục), thần Cao Vương trấn phía nam (đền Kim Liên).

Trải qua đời Trần, đền có tu sửa nhiều lần. Năm 1677, đời vua Lê Hy Tông, chúa Trịnh Tạc sai đình thần là Nguyễn Đình Luân trùng tu đền. Năm 1842, vua Thiệu Trị đến thăm và tặng một đồng tiền vàng cùng với một số vàng do các hoàng thân dâng cúng để đúc lại thành một cái vòng treo ở cổ tay tượng thần. Năm 1856, bố chánh Sơn Tây, bố chánh Hà Nội, tri huyện Vĩnh Thuận đã tổ chức quyên góp trùng tu, sửa lại chính điện, đình điều hương, bái đường và gác chuông, làm thêm hai dãy hành lang bên phải và bên trái, đắp lại 4 pho tượng đại nguyên soái. Năm 1893 đền được tu sửa lớn như diện mạo ngày nay.

Đền Quán Thánh được xây dựng theo kiểu kiến trúc Trung Quốc, bao gồm: tam quan, sân, ba lớp nhà tiền đế, trung đế, hậu cung. Cổng ngoài của đền nằm trên lề đường Thanh Niên. Cổng có bốn cột trụ với tượng bốn con phượng hoàng đấu lưng với nhau và con nghê trên đỉnh. Ở hai bên là hai bức bình phong đắp nổi hình mãnh hổ hạ sơn. Phía trên là tượng đắp nổi hình cá hóa rồng. Ở các mặt trước và sau của bốn cột trụ được trang trí bởi những cặp câu đối đỏ trông rất nổi bật.

Sau cổng ngoài là tam quan có cấu tạo như một phương đình. Điều đặc biệt, phía trên cổng giữa của tam quan đắp nổi tượng thần Rahu. Đây là vị thần trong thần thoại Ấn Độ, đã nuốt Mặt Trăng và Mặt Trời nên gây ra hiện tượng nhật thực và nguyệt thực. Một số đền ở Hà Nội cũng có sự hiện diện của thần Rahu bên ngoài cổng như đền Bạch Mã. Điều này nói lên phần nào sự hội nhập tín ngưỡng của người Việt Nam.

Tam quan của đền có ba cửa và hai tầng. Trên gác tam quan có quả chuông đồng cao 1.5m, nặng 1 tấn, được đúc vào năm 1677, triều đại vua Lê Hy Tông. Tiếng chuông này đã đi vào ca dao với những câu thơ đậm chất trữ tình:

Gió đưa cành trúc la đà

Tiếng chuông Trấn Vũ, canh gà Thọ Xương”.

Qua tam quan, du khách sẽ đến với nhà bia bên trong đền. Nhà bia có lưu văn bia do Tiến sĩ Lê Hy Vinh (nguyên Học chính tỉnh Thanh Hóa) soạn, Nguyễn Văn Ninh (Lệ mục huyện Thọ Xương) trông coi việc khắc bia. Nội dung bia nói về các thời điểm trùng tu đền. Trong đó có câu: “… Có thể làm cho giang sơn này đẹp hơn lên phải chăng chỉ có người Hà Nội? Dân khí đã hòa thì thần ban phúc cho. Điềm lành không đợi phải nói. Nay viết để khắc vào bia đá. Năm Tự Đức thứ 10 (1857) tháng 5, ngày tốt.”

Bên phải, phía sau nhà bia, nằm sát đường Quán Thánh là đền thờ liệt sĩ. Đền được xây dạng phương đình (đình hình vuông), bên trong đặt bàn thờ với dòng chữ “Tổ quốc ghi công”; hai bên là hai cặp câu đối. Xung quanh tường treo ảnh của các liệt sĩ thuộc khu vực đền Quán Thánh. Điều này nói lên lòng biết ơn của nhân dân với các liệt sĩ đã hi sinh cho việc bảo vệ và xây dựng đất nước.

Qua sân bái rộng – nơi sắp xếp đội ngũ chuẩn bị cho nghi thức lễ đền – là đến cửa bái đường. Ở bậc tam cấp trước bái đường có hai lư hương lớn. Tiếp đến là bàn để chuẩn bị đồ tế lễ. Ngoài hiên bái đường, bên trái đắp nổi tượng cọp xuống núi, bên phải đắp nổi tượng cá hóa rồng. Ngoài ra, ở bên phải có bảng giới thiệu lịch sử tượng đồng Huyền Thiên Trấn Vũ.

Trước kia tượng Huyền Thiên Trấn Vũ được làm bằng gỗ, đến năm 1677 được đúc lại bằng đồng đen. Tượng cao 3,07m, chu vi 8m, nặng 4 tấn. Tượng thần được đặt ở hậu cung. Tượng có khuôn mặt vuông, râu dài, tóc xõa, mặc áo đạo sĩ, ngồi trên bục đá, tay trái bắt quyết, tay phải chống gươm có rắn quấn và chống lên lưng một con rùa. Tượng Trấn Vũ là một công trình nghệ thuật độc đáo duy nhất tại Việt Nam, khẳng định nghệ thuật đúc đồng và tạc tượng của người Hà Nội cách đây hơn ba thế kỷ.

Tại nhà bái đường còn một pho tượng nhỏ hơn, cũng bằng đồng đen, nhiều người cho rằng đây là tượng ông Trùm Trọng, người thợ cả đã chỉ huy việc đúc pho tượng Trấn Vũ. Tượng này do các học trò của ông đúc để ghi nhớ công ơn của thầy. Ngoài ra, trong đền còn có chiếc khánh bằng đồng được đúc vào thời chúa Trịnh (thế kỷ 17 – 18) do đô đốc Lê Văn Ngữ quyên tiền để đúc thành. Chiếc khánh có chiều ngang 1,25m, chiều cao 1,1m.

Ngoài nghệ thuật đúc đồng, đền Quán Thánh còn có nhiều tác phẩm nghệ thuật được chạm khắc trên cửa, cột, xà và hơn 60 bài thơ hoành phi câu đối viết bằng chữ Hán. Tác giả của các bài thơ này là những người đạt khoa bảng cao như: Thám hoa, Bảng nhãn, Bố chánh, Đốc học,… trong đó có cả thơ của vua Minh Mạng. Trên các bộ phận kiến trúc bằng gỗ của ngôi đền, các đề tài như tứ linh, dơi, cá, tùng, trúc, cúc, mai, lẵng hoa, bầu rượu, thanh gươm, cảnh sinh hoạt của trần gian và thượng giới... được chạm khắc một cách tinh xảo, mang đậm phong cách nghệ thuật thời Lê.

Cũng như đền đình Kim Liên, đền Quán Thánh là nơi sinh hoạt tín ngưỡng văn hóa nổi tiếng của người dân Hà Nội xưa và nay. Đền Quán Thánh là một di tích có giá trị về văn hóa, nghệ thuật, kiến trúc và điêu khắc, nằm bên bờ Hồ Tây cùng với tiếng chuông Trấn Vũ đã hòa nhịp vào thiên nhiên, góp phần tô điểm cho cảnh đẹp cổ kính, thơ mộng của vùng du lịch Hồ Tây – Hà Nội.