Hoàng đế Lý Thánh Tông vừa lên ngôi, đã cho xây dựng chùa vào năm Long Thụy Thái Bình thứ 4 (1057), và cho đúc một quả đại hồng chung nặng 1 vạn 2 ngàn cân ta (tức 7.260 kg) đặt trong chùa. Chùa có Đại Thắng Tư Thiên tháp (大勝資天塔) (còn gọi là Tháp Báo Thiên), có tầng trên cùng dát đồng, được xây dựng một năm sau khi chùa được xây xong.[2]

Suốt hai triều Lý-Trần gần 400 năm, chùa Báo Thiên là một ngôi quốc tự nổi tiếng của kinh đô Thăng Long.

Năm 1427, trong thời thuộc Minh, khi quân Minh bị vây trong thành Thăng Long cố thủ để chờ quân tiếp viện, đã đến chùa, tốc chóp tháp đồng, nấu chảy đại hồng chung và tất cả những gì bằng đồng để làm vũ khí chống lại nghĩa quân Lam Sơn[1].

Cùng với Chuông Quy Điền, Vạc Phổ Minh và Tượng Phật chùa Quỳnh Lâm, Tháp Báo Thiên trong chùa được coi là An Nam tứ đại khí (4 bảo vật của nước Nam). Có tài liệu cho rằng Tháp Báo Thiên bị phá vào thời thuộc Minh để chế súng; hai trong số An Nam tứ đại khí khác là Chuông Quy Điền và Vạc Phổ Minh được xác định do tướng Minh là Vương Thông phá để lấy đồng đúc vũ khí[3]. An Nam tứ đại khí chỉ còn lại tượng chùa Quỳnh Lâm.

Thời nhà Lê, năm 1443, vua Lê Thái Tông đại trùng tu chùa. Riêng tháp Báo Thiên bị phá đã được tôn cao bằng một đàn tràng ở nơi bây giờ là Nhà thờ Lớn Hà Nội. Trong chùa Lý Quốc Sư ngày nay vẫn còn lưu giữ bản gấm thêu sắc tứ từ đời Cảnh Hưng (tức vua Lê Hiển Tông 1740-1786) nói về sự kiện này.[1][4]

Cho tới thế kỷ XIX, chùa Báo Thiên luôn được trùng tu bảo tồn, là nơi cử hành các nghi lễ Phật giáo cầu cho quốc thái dân an mưa thuận gió hoà

Gần cuối thế kỷ XIX, chùa Báo Thiên bị một trận hỏa hoạn lớn xảy ra, các nhà sư tu hành di dời sang nơi khác, bỏ lại chùa Báo Thiên hoàng phế [5]

Năm 1873, Francis Garnier đánh chiếm Hà Nội lần thứ nhất, giao toàn bộ ngôi chùa này cho Giám mục Paul-Francois Puginier làm nơi ở và làm việc tạm thời khi Giám mục về Hà Nội trực tiếp làm thông ngôn và cố vấn cho Garnier. Lúc đó, Giám mục Puginier dựng mấy ngôi nhà gỗ trong vườn chùa để ở và làm việc cho gần Garrnier đóng quân tại Trường Thi gần đó, còn Tòa Giám mục (khi đó gọi là Tòa Giám mục Tây Đàng ngoài) thì vẫn đóng ở Kẻ Sở (nay là Kiện Khê, Hà Nam).[1]

Sau đó F. Garnier chiếm mà không giữ được Hà Nội bao lâu vì bị quân Cờ Đen giết chết, quân Pháp rút về Nam, giao Hà Nội lại cho triều đình Huế theo Hòa ước 1874. Giám mục lại trở về Kẻ Sở, tuy vậy chùa Báo Thiên lúc đó dù chưa bị phá hủy nhưng với mấy gian nhà gỗ do Giám mục dựng tạm đã trở thành ngôi nhà thờ Công giáo được các thày kẻ giảng người Việt trông coi.

“Nhà mới dựng giống như một ngôi đền Á Đông, có gian giữa rộng với nhiều cột bằng gỗ lim…”[6]

Năm 1882, Henry Riviere đánh chiếm Hà Nội lần thứ hai.

Năm 1883, quân Cờ Đen tấn công các nơi có quân Pháp đóng. Tại khu vực nhà thờ này có một tiểu đội Pháp đóng (cùng với một số giáo dân được cấp súng làm vệ binh). Đêm 19-5-1883, số lính tráng này bị tấn công, nhà thờ bị đốt phá. Ba cố Tây (Landais có tên Việt là Cố Lan, Rival-Cố Mỹ, Bertrand-Cố Phước) dẫn thủ hạ chạy sang ăn ở chùa Bà Đá bên cạnh, được Sư cụ chùa Bà Đá che giấu cho nên không bị giết (Việc này Chu Thiên có đề cập trong sách Hùng khí Thăng Long).

Rồi khi quân Pháp được tăng viện, chiếm lại khu đất này, thì nhà thờ đã bị đốt phá "những gian nhà gỗ bị cháy rụi, những phần khác của chùa Báo Thiên còn trơ lại những mảnh đống nham nhở đổ nát"[2] Đến năm 1883 chùa bị phá hủy hoàn toàn các công trình kiến trúc.

Năm 1883, theo yêu cầu của Công sứ Bonnal, kinh lược Bắc Kỳ là tổng đốc Nguyễn Hữu Độ đã giao khu đất chùa này cho Giám mục Puginier phá dỡ những phần còn lại để xây Nhà thờ Lớn Hà Nội.[1][7][8]