Ban đầu, chùa được xây dựng tạm trên nền đất của làng. Năm Hoằng Định thứ 13 (1612), chùa được tu sửa hoàn chỉnh và có dáng dấp như ngày nay. Trong 400 năm tiếp theo, chùa nhiều lần được tu bổ lớn như vào các năm Cảnh Trị thứ 9 (1671), Chính Hoà thứ 25 (1704), Thành Thái thứ 7 (1896) và đặc biệt từ năm 1962 chùa Keo đã được nhà nước công nhận là Di tích lịch sử văn hoá,[cần dẫn nguồn] nên đã được tôn tạo nhiều lần.

Được khởi công xây dựng trước, kiến trúc chùa Keo Hành Thiện có ảnh hưởng rất lớn đến chùa Keo ở Thái Bình. Phía trước chùa có hồ bán nguyệt nước trong xanh, soi bóng tháp chuông mái cong uy nghiêm, thơ mộng. Không gian chùa là cả một khu kiến trúc cổ to lớn, bề thế với 13 tòa rộng gồm 121 gian nối tiếp nhau soi bóng xuống mặt hồ lung linh huyền diệu. Hai bên đường kiệu lát gạch, kề liền hai dãy hành lang, mỗi dãy gồm 40 gian bề thế.

Tuy không có gác chuông chồng diêm 3 tầng 12 mái đồ sộ như chùa Keo Thái Bình, gác chuông chùa Keo Hành Thiện cũng là một sự kết hợp hài hòa của kiến trúc tam quan nội 5 gian, làm theo kiểu chồng diêm, cao 7m50. Dáng vẻ thanh thoát với mái cong, bờ cánh kẻ bảy uốn lượn. Phía dưới là 8 đại trụ và 16 cột quân được đặt trên đá tảng chạm khắc hoa văn cánh hoa sen nở.

Ngoài vẻ đẹp về kiến trúc, trong chùa còn lưu giữ, bảo tồn những di vật cổ có giá trị của thế kỷ 17 thời Hậu Lê. Đó là những án thư, sập thờ, tượng pháp nhiều chuông khánh, văn bia cổ, hoành phi câu đối và sách chữ Hán nói về chùa Keo. Sau chùa là đền Thánh thờ Đức Thánh Tổ Đại pháp thiền sư Không Lộ, người chữa khỏi bệnh cho vua Lý Nhân Tông.