Đình Ứng Thiên còn có tên gọi là đình Hậu Thổ, đình Nhà Bà. Theo sách "Việt Điện u linh" do Lý Tế Xuyên viết, năm 1069, Vua Lý Thánh Tông (1023-1072) thân chinh dẫn quân theo đường biển đến đánh Chiêm Thành. Nhưng khi đến cửa biển Trú Nhạ (nay là cửa biển Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình) thì trời bỗng tối sầm, mưa to gió lớn khiến đoàn thuyền bị nghiêng ngả, chòng chành, không thể tiến lên được.
Nhà vua bèn ra lệnh cho thuyền tạm lánh vào bờ. Đêm ấy, nhà vua mơ thấy một cô gái trẻ, nét mặt thanh tú nói với ngài rằng: “Tôi là linh khí của đất nước Nam, tuy sinh ra từ đất nhưng hồn lại lơ lửng trên cao, ở giữa chốn rừng xanh bạt ngàn. Bỗng đâu con tạo xoay vần nên nay hồn tôi chơi vơi nơi sóng nước. Bệ hạ hãy cho người đưa tôi lên thuyền, lần xuất chinh này có tôi phù hộ, thế nào cũng toàn thắng”. Sáng hôm sau, nhà vua cho gọi sư Huệ Lâm đến để "giải mộng". Nhà sư khuyên rằng, có hồn một nữ thần trong thân cây cổ thụ, bị bão lớn đánh bật gốc, hiện đang trôi nổi trên biển. Nhà vua hãy cho người đi tìm thần về rồi thắp hương, dâng lễ vật để cầu chiến thắng, bài vị thờ thần ghi rõ "Hậu Thổ phu nhân". Sau khi thắng lợi thì mang thần về thờ ở kinh đô. Nghe vậy, nhà vua liền hạ lệnh cho quân lính đi tìm cây mang về thuyền để thờ. Sau khi vừa khấn xong, trời quang, mây tạnh, đoàn thuyền nhờ thế mà nhổ neo, lướt sóng băng băng tiến đến Chiêm Thành dành chiến thắng vang dội. Để ghi nhớ công ơn nữ thần, khi về tới kinh thành, nhà vua đã cho xây dựng đền thờ nữ thần ở trại An Lãng, huyện Quảng Đức, phủ Phụng Thiên (nay là phường Láng Hạ, quận Đống Đa, Hà Nội).
Thời Lê Trung Hưng, do văn hóa tín ngưỡng thờ Thành hoàng làng phát triển mạnh, nên đền Ứng Thiên đã được tu sửa và sử dụng như đình làng. Sang thời Nguyễn, đình được trùng tu, tôn tạo thêm, lần cuối cùng là vào năm Thành Thái thứ 2 (1890). Hiện nay, đình Ứng Thiên có kiến trúc hình chữ công, gồm 3 toà nhà tiền tế, phương đình và hậu cung.
Tiền tế được dựng theo kiểu “tường hồi bít đốc tay ngai”, bao gồm 5 gian. Bên ngoài tiền tế có một trụ biểu cao bằng nóc mái; trên đỉnh trụ đặt tượng hai con nghê quay mặt vào phía trong. Bộ khung nhà tiền tế được thiết kế theo kiểu “giá chiêng - kẻ chuyền”. Các quá giang, hoành, xà được bào trơn, bào soi và trang trí các hoa văn sinh động như: rồng, mây, hoa, lá…
Phương đình có kiến trúc hai tầng tám mái với tám góc đao cong. Bộ khung nhà phương đình được kết cấu bởi 4 hàng chân cột. Trong nhà phương đình đặt một hương án lớn và các đồ thờ; ngay phía trên hương án treo một bức cửa võng chạm trổ lưỡng long chầu nhật, tùng, cúc, trúc, mai. Nằm hai bên tòa phương đình là hai dãy giải vũ, mỗi dãy gồm 3 gian, được kiến trúc theo kiểu “vì kèo quá giang”. Hậu cung gồm 3 gian, được dựng theo kiểu “tường hồi bít đốc tay ngai”. Kiến trúc bốn bộ vì được làm giống nhau, theo kiểu “chồng rường, giá chiêng hạ kẻ”. Hoa văn trang trí ở hậu cung chủ yếu là các họa tiết như: mây, hoa lá… Trong hậu cung đặt tượng thờ nữ thần Hậu Thổ phu nhân và hai vị phụ tá.
Hàng năm, để tưởng nhớ công ơn của nữ thần Hậu Thổ phu nhân và phục vụ nhu cầu tín ngưỡng của người dân, lễ hội đình Ứng Thiên lại được tổ chức từ ngày 6 đến 8/3 âm lịch. Ngoài các nghi lễ chính như: lễ mộc dục, lễ dâng hương, lễ tế…, trong khuôn khổ lễ hội còn diễn ra các hoạt động văn hóa, văn nghệ phong phú như: hát quan họ, diễn chèo, chơi cờ tướng, thi chọi gà…Trải qua bao thăng trầm của lịch sử, ngôi đình vẫn giữ được những nét kiến trúc cổ rất đẹp và nhiều hiện vật quý như: hệ thống tượng thờ, trong đó có bức tượng nữ thần Hậu Thổ phu nhân; khám lớn để đặt tượng nữ thần; sập chân quỳ; hạc thờ; bộ bát bửu; bình sứ; tấm bia hậu; cuốn thần phả và 15 đạo sắc phong nữ thần của các triều đại.
Năm 1984, đình Ứng Thiên đã được UBND TP. Hà Nội xếp hạng là Di tích kiến trúc nghệ thuật cấp thành phố.