Theo dã sử và thần tích tại đền thờ của bà, sau khi bà trở về Thăng Long thì theo di mệnh của Thái Thượng hoàng, công chúa xuất gia ở núi Trâu Sơn (nay thuộc Bắc Ninh). Công chúa thọ Bồ tát giới và được ban pháp danh Hương Tràng (香幢) [6].

Cuối năm Tân Hợi (1311), Hương Tràng cùng một thị nữ trước đây, bấy giờ đã quy y đến làng Hổ Sơn, huyện Thiên Bản (nay thuộc Nam Định), lập am dưới chân núi Hổ để tu hành. Sau đó, am tranh trở thành điện Phật, tức chùa Nộm Sơn hay còn gọi là Quảng Nghiêm Tự.

Bà mất ngày mồng 9 tháng giêng năm Canh Thìn (1340)[7]. Dân chúng quanh vùng thương tiếc và tôn bà là Thần Mẫu và lập đền thờ cạnh chùa Nộm Sơn. Ngày công chúa mất sau này hàng năm trở thành ngày lễ hội đền Huyền Trân trên núi Ngũ Phong ở Huế.

Các triều đại sau đều sắc phong công chúa Huyền Trân là thần hộ quốc. Nhà Nguyễn ban chiếu ghi nhận công lao của công chúa Huyền Trân "trong việc giữ nước giúp dân, có nhiều linh ứng", nâng bậc tăng là "Trai Tĩnh Trung Đẳng Thần" [8].