Theo trục Tây - Đông (từ ngoài vào), chùa Bối Khê có các kiến trúc lần lượt gồm: năm tháp mộ, đền Đức Ông, sân ngoài, đường lát gạch, Ngũ Không Môn (gồm năm cổng), cầu gạch qua sông Đỗ Động, tam quan, chùa Phật (tiền đường, thiêu hương, thượng điện, hai hành lang), cung Thánh (đại bái, ống muống, hậu cung). Từ chùa Phật đến cung Thánh được bao bằng vòng tường xây tạo thành dạng kiến trúc nội (nhị) công ngoại quốc. Ngoài vòng tường chữ "quốc" (囯) còn có một số kiến trúc khác ở phía Nam và ao, giếng, vườn cây.[14] Chùa Bối Khê là một điển hình của dạng chùa cụm đồng bằng với nhiều lớp kiến trúc gỗ kéo dài theo trục dọc, mở rộng theo tuyến ngang. Đây là một nét mới của kiến trúc Phật giáo Việt Nam, bắt đầu xuất hiện từ thời Trần[4] Tất cả các công trình kiến trúc tại chùa đều mang đặc trưng kiến trúc Việt ngoại trừ công trình cuối cùng là Điện Thánh xuất hiện đấu củng. Trong kết cấu kiến trúc chùa Bối Khê sử dụng rất nhiều đấu kê trên bộ khung nhà nhưng về mặt kết cấu hoàn toàn khác với đấu củng ở tòa Điện Thánh.[5]

Ngũ Không Môn

Ngũ Không Môn và cầu dẫn đến Tam quan được xây bằng gạch, trang trí với phong cách Nguyễn muộn (cuối thế kỉ XIX - đầu thế kỉ XX) với các đề tài tứ linh, hoa trái, voi ngựa đắp bằng vữa và vẽ lên tường. Niên đại tuyệt đối của Ngũ Môn là 1899. Đây chính là biểu hiện cho tính chất đền thờ của cả quần thể chùa, khẳng định tính hỗn hợp của việc thờ cúng tiền Phật hậu Thánh.[14]

Tam quan

Tam quan là sản phẩm của nhiều thời kỳ trùng tu khác nhau, song còn lại rõ rệt là thời Nguyễn. Tam quan có hai tầng, tám mái, một gian - hai chái. Chức năng vừa làm cửa ra vào chùa Phật vừa làm Gác chuông. Dấu vết tam quan thời Trần, thời Lê Trung Hưng thể hiện ở chân tảng hoa sen và đầu rồng trên đầu dư tầng hai.[14]

Chùa Phật

Phần chùa Phật gồm Tiền đường, Thiêu hương, Thượng điện, hai hành lang. Tiền đường gồm một tòa bảy gian: một giữa, hai bên, hai hồi, hai chái. Kết cấu bộ vì theo kiểu "chồng rường - giá chiêng", ngoài ra còn kết cấu kẻ góc cột trốn để nối với hành lang. Gạch bó nền tòa nhà này rõ rệt phong cách Mạc với rồng, phượng, sư tử bố cục trong các khung hình chữ nhật và tròn. Thiêu hương có cùng một cao độ nền với tiền đường, kiến trúc tương tự. Thiêu hương và Tiền đường đều có bộ khung niên đại thời Nguyễn.[14]

Thượng điện là kiến trúc một gian - hai chái độc lập. Riêng Thượng điện là kiến trúc có nhiều cấu kiện mang niên đại từ thời Trần. Các cột Thượng điện lớn và thấp, bộ vì kèo có cốn hình lá đề. Đầu các bẩy chạm hình rồng thời Trần, một số đầu đao còn có cả chim thần Garuda.[11] Tuy nhiên, nếu xét về tổng thể thì Thượng điện ngày nay mang đậm dấu ấn thời Mạc (bộ vì chồng rường - giá chiêng, các cấu kiện mập và kích thước lớn, đầu rồng trên đầu xà mặt trước) và cả thời Nguyễn (cột, nền, thành phần bao che, bộ mái). Các dấu vết Trần, Mạc, Nguyễn nói trên đã bị xóa sổ khi tiến hành sửa chữa lớn năm 1995.[14]

Điện Thánh - Hậu Cung

Phần Điện Thánh gồm ba đơn nguyên kiến trúc: Đại bái, ống muống và Hậu cung theo hình chữ công (工). Điện Thánh được nối với hai hành lang của chùa Phật ở hai gian chái của tòa Đại bái, tạo thành hai chữ "công" và tổng thể "nội (nhị) công ngoại quốc".[14]

Hậu cung điện Thánh là một tòa nhà có mặt bằng gần vuông, kích thước 5,58m × 5,55m (hai cạnh chênh nhau có thể do bộ khung xô lệch qua thời gian). Tòa Hậu Cung này là một ví dụ hiếm hoi về hình thức kiến trúc đấu củng Trung Hoa tại Việt Nam. Tuy nhiên khách tham quan ít có dịp chiêm ngưỡng từ bên trong vì khu vực Hậu cung là nơi linh thiêng, không mở cửa rộng rãi. Tòa nhà có kết cấu chồng diêm, tàu đao lá mái. Nhưng lá tàu ở đây có kích thước hẹp hơn các cấu trúc không có đấu củng. Ngoại trừ củng đặt trên bốn đầu cột góc, nhìn xa có thể thấy mỗi mặt mái có 3 cụm củng 3 tầng, kiểu "một đấu hai thăng" hình chữ V. Khác với củng ở gác chuông chùa Keo (Thái Bình), củng ở đây đều là củng xuyên, vừa nhô ra đỡ tầng mái, vừa hỗ trợ hàng xà phía trong. Kẻ góc của cả mái dưới và mái trên đều gác lên các cụm đấu củng ở đầu cột quân và cột cái.[5][6]

Tuy nhiên, chức năng và kết cấu của củng ở góc đao hoàn toàn khác với củng ở rìa mái. Củng ở 4 góc là củng xuyên chuyển góc, còn củng ở rìa mái là củng hai phương, một chiếc đặt ở trung tâm còn hệ thống đấu ở hai bên củng trung tâm là đấu chạm nổi trên ván. Vì vậy củng ở rìa mái chỉ là giả củng. Một đặc điểm khác của củng ở chùa Bối Khê là củng không có loan cong.[5]

Cây sen đất

Trong vườn chùa Bối Khê có hai cây sen đất, hoa thường có 9 đến 10 cánh lớn trắng ngần, hương thơm ngát, trông như đóa hoa sen, nhụy xanh vàng, ra hoa từ tháng tư đến tháng sáu âm lịch, nở khoảng một tuần mới tàn. Tương truyền, người ta đã từng sang chiết đem cây hoa này trồng ở nơi khác nhưng hầu như không sống được, nên người dân Bối Khê xem như báu vật của làng. Cây hoa sen đất này chính là hình ảnh "cành sen" trong các bài ca dao, dân ca mà thường bị nhầm lẫn rằng hoa sen thì không có cành như[23][24]:

Bỏ quên cái áo trên cành hoa sen

hay như câu:

Ăn cơm bằng đèn đi cấy sáng trăng

Nhiều nguồn thông tin đã tùy tiện cho rằng hiện nay chỉ ở chùa Bối Khê mới có loài hoa sen quý hiếm này, khiến cho cây sen đất chùa Bối Khê trở nên nổi tiếng.[25][26][27][28] Trong thực tế, đây là một loài cây phổ biến trên thế giới, không có tài liệu nào nói nó khó trồng đến mức như thế. Cây sen đất này còn gọi là "Bạch liên sen", tên khoa học là Magnolia grandiflora, thuộc chi Mộc lan. Người Trung Quốc gọi là "Hà hoa ngọc lan" (荷花玉兰), Người Nhật gọi là "Thái sơn mộc" (泰山木 – Taisanboku).[24][29] Ở Việt Nam, loài sen đất cũng được rất nhiều nhà sư chọn trồng, như trong khuôn viên chùa Quán Sứ có một cây, chùa Lý Quốc Sư cũng có một cây, nhưng cây ít được mọi người để ý tới bởi đều hiếm khi ra hoa. Trước đây, sen đất còn mọc bạt ngàn ở vùng cánh cung Đông Triều (Quảng Ninh), trên các dãy núi Yên Tử, núi Đỉnh Hương, núi Bảo Đài. Chứng tỏ loài sen đất này đã được lựa chọn để gắn liền với nhiều nơi tu hành đạo Phật và Thiền phái Trúc Lâm từ thời Lý - Trần.[23][30]

Hầm và địa đạo

Phía sau khuôn viên chùa còn lưu giữ hầm kiểu mẫu thời kỳ kháng chiến chống Pháp. Hầm được ông Vũ Song, Bí thư Thành ủy Hà Đông (cũ) chỉ đạo đào tháng 1 năm 1948, có ba ngách chính, thông tới điện Phật, chạy qua đền thờ Nguyễn Trực (gần chùa Bối Khê) và chạy vòng quanh làng Bối Khê. Hệ thống hầm là địa đạo quy mô, có tác dụng chuyển quân dưới lòng đất, là nơi phòng thủ vững chắc. Hiện nay, các hầm trong xã và các xã lân cận đều đã bị bịt chặt, duy chỉ có hầm trong chùa Bối Khê vẫn giữ được một cửa và địa đạo dài khoảng 7m. Tại căn hầm lịch sử này, dân làng Bối Khê đã tiêu diệt tổng cộng 372 lính Pháp. Căn hầm còn gắn liền với chiến tích của nữ du kích Phạm Thị Đe, người đã nằm 7 ngày liền trong hầm không có cơm ăn, nước uống khi quân Pháp đóng trong làng. Đến ngày thứ tám quân Pháp rút, bà gắng sức lên cửa hầm và bị ngất. Hiện nay, hầm Bối Khê đã được chỉnh trang và tu sửa lại 7m địa đạo.[3][31]