Theo bảng giới thiệu trong chùa, thì chùa Cổ Lễ nguyên được xây dựng từ thời Lý Thần Tông, do quốc sư Nguyễn Minh Không sáng lập để thờ phật. Chùa đầu tiên bằng gỗ theo lối kiến trúc cổ. Tuy nhiên chùa ban đầu này đã bị đổ nát. Năm 1902, sư Phạm Quang Tuyên về trụ trì, cho thiết kế và xây dựng lại chùa theo kiến trúc "Nhất Thốc Lâu đài" với những yếu tố kiến trúc gô-tích giống như các nhà thờ Công giáo có khá nhiều ở khu vực lân cận. Sau đó, chùa đã được trùng tu nhiều lần. Vật liệu xây dựng là gạch, vôi vữa, mật mía, giấy bản tạo nên độ cố kết vững bền của toàn bộ kiến trúc ngôi chùa.