Cửa chính vào chùa xây kiểu gác chuông hai tầng, bốn mái chồng diêm, trên có treo một quả chuông cao 1,5m, đúc năm Gia Long thứ 12 (1813). Sau cổng chùa là tòa tiền đường uy nghi 5 gian 2 chái, cửa bức bàn. Nhà tam bảo rộng 4 gian có 21 bức tượng thờ xếp thành các lớp. Sau tam bảo là tổ đường 3 gian 4 mái, tọa lạc trên nền rất cao, phía trước có hai cây đại cổ thụ trên 300 năm tuổi.[4]

Theo dòng chữ khắc trên vì kèo (nóc) chùa: Thái Bình nhị niên thừa Khuông Việt chỉ truyền hạ chiếu tạo tự. Đại Chính nguyên niên sắc tỷ kỳ ly tự Đào Chu trụ trì thì chùa do nhà sư Khuông Việt khởi dựng vào năm 971 (Thái Bình nhị niên). Năm 1530 (Đại Chính nguyên niên), nhà sư Đào Chu trụ trì tại đây đã trùng tu lại. Ngôi chùa đã nhiều lần được trùng tu qua các triều Lý, Trần, Lê, Nguyễn. Tại chùa còn nhiều chân tảng, ngói mũi hài cỡ lớn thời Lý, Trần.[4]

Trước năm 1947, chùa có quy mô lớn. Nay nhỏ lại, bố cục vuông vắn, hình chữ quốc, mỗi mặt 5 gian. Đặc biệt là tòa Cửu phẩm vuông, hai tầng 8 mái, với 4 cột suốt, 12 cột con đỡ, 4 mái dưới, mái tầng trên đỡ thêm bởi 4 cột con.[5]

Chùa Đồng Ngọ còn có nhiều công trình kiến trúc độc đáo bằng đá mới được xây dựng gần đây. Từ cuối thế kỷ XX, đại đức Thích Thanh Thắng, khi về trụ trì tại đây, đã đi khắp các vùng Bắc Bộ kiếm tìm những cối đá, trục đá, cầu đá, quả trục lăn lúa mang về chùa rồi sắp đặt thành các công trình đặc sắc. Nổi bật là bờ tường với chấn song trục đá; hai chiếc giếng tròn được trang trí bằng rất nhiều trục đá, cối đá trước sân chùa; cây cầu đá dài gần 3m; hành lang, lối đi bằng cối đá đủ các kích cỡ. Đặc biệt là tấm bản đồ Việt Nam dài 30m, rộng 10m được xếp bằng khoảng 300 cối đá trong khuôn viên chùa.[4]

Các công trình bị chiến tranh tàn phá, một số còn lại bị phong hóa hư nát, từ sau ngày thống nhất đất nước đã được trùng tu xây dựng: chính điện (1994), tam quan - gác chuông (1996), thượng điện - nhà Tổ (1997), ngôi Cửu phẩm liên hoa (1999), điện Thánh Mẫu (2000), tạc thêm tượng Cửu phẩm liên hoa (2004)[6].