Đến đời Lý Thái Tổ, khi vua dời đô về Đại La và đổi tên thành Thăng Long (1010), muốn mở rộng phủ thành nhưng đắp thành xong đều bị lở, bèn cử người tới cầu thần. Đêm đó, vua nằm mộng thấy thần đến chúc mừng rồi dặn nhà vua cứ theo dấu vó ngựa đắp. Có con ngựa trắng từ đền đi ra, đi theo hướng Tây, vòng về hướng Đông, trở về điểm xuất phát rồi biến vào đền. Nhà vua y lời thần, bèn cho đắp thành xây lũy theo vết chân ngựa để lại, xây đến đâu chắc đến đấy. Lý Thái Tổ sai tạc một con ngựa trắng để thờ[1] và ban sắc phong cho thần làm Quốc đô Định bang Thành hoàng đại vương, tức Thành hoàng của cả thành Thăng Long. Ngôi đền này vì thế cũng được gọi là đền Bạch Mã.

Đến đời Lý Thái Tông, cho mở phố chợ về Cửa Đông, dân cư buôn bán tấp nập, chen chúc huyên náo sát tới tận bên đền. Vua muốn dời đền đến chỗ thanh tịnh khác, nhưng rồi lại bảo: "Xưa lập ở đây, nay không nên dời đi chỗ khác"; mới đem sửa sang lại đền, liền với các nhà ngoài phố, nhưng vẫn để một khoảng làm nơi thờ thần. Đến đêm, thần hiển linh nổi trận gió bấc rất to, cả dãy phố đều đổ, duy chỉ có đền thờ thần vẫn nguyên vẹn. Vua lấy làm lạ hỏi, có người biết, tâu lại chuyện hiển linh của thần từ trước. Vua mừng nói: "Đó thật là vị thần coi việc nhân gian"[8], xuống chiếu cho sửa lễ tế đền, cho thần hưởng lộc: cứ đến mùa xuân lại đến làm lễ cầu phúc. Vua lại sắc phong thần làm Quảng Lợi vương. Ở phố chợ Cửa Đông, ba lần phát hỏa, các nhà trong phố đều bị cháy, duy chỉ có chỗ đền thờ thần, lửa không bao giờ lấn tới. Thượng tướng Thái sư Trần Quang Khải có bài thơ đề tặng, hiện vẫn còn ở biển gỗ thờ tại đền[1][8]:

Tích văn hách trạc Đại vương linh,Kim nhật phương tri quỷ mị kinh.Hoả bắc tam khu thiêu bất tận,Phong lôi nhất trận phiến nan khuynh.Chỉ huy vọng lượng tam thiên chúng,Hô hấp tiễu trừ bách vạn binh.Nguyện trượng dư uy thanh Bắc khấu,Đôn linh vũ trụ lạc thăng bình.

Đại vương xưa nức tiếng oai linhNay mới hay rằng ma quỷ kinhLửa tụ ba khu không cháy miếuGió lay một trận chẳng nghiêng mìnhKhiến sai bọn quỷ ba nghìn đứaĐánh dẹp loài ma trăm vạn binhNhờ cậy dư uy trừ giặc BắcGiúp ngay đất nước được thanh bình(Trần Lê Văn dịch)

Niên hiệu Trùng Hưng năm đầu, lại sắc phong hai chữ Thánh hựu. Năm Hưng Long thứ hai mươi mốt, gia phong hai chữ Phu ứng, tấn tước Đại vương, phẩm trật Thượng tướng Thái sư. Sách Lĩnh Nam chích quái viết: "Đời Trần phong làm Thuận Dụ tự ứng đại vương. Chùa ở phường Hà Khẩu huyện Thọ Xương nay gọi là đền Bạch Mã". Sách Đại Nam nhất thống chí (quyển 13) khi giới thiệu về đền miếu của Hà Nội, đã dẫn sách Việt điện u linh tập của Lý Tế Xuyên, còn viết rằng: "Các vua đời sau cũng theo đó mà phong tới Bạch Mã Quảng Lợi Tối linh Thượng đẳng thần"[9].

Văn bia Trùng tu Bạch Mã miếu bi ký, niên đại Minh Mệnh nguyên niên (1820), hiện còn tại đền có ghi rằng: "Ngài là vị Thành hoàng của kinh thành Thăng Long… Thần một thôn, một ấp đều được tôn kính, huống đây là vị thần chủ tể một khu vực ngàn dặm, được hàng trăm đời vua cúng tế. Các công lao ban phúc cho đất nước, giúp đỡ cho nhân dân, trong đó, cả đô thành và lân ấp đều được nhờ cậy"[10].

Một trong những câu đối còn tại đền đã khái quát khá tiểu biểu công ơn của thần Bạch Mã[8]:

Phù quốc lộ ư La Thành, vạn cổ uy thanh truyền mã tíchNgật tôn từ vu giang tứ, thiên thu vượng khí trấn Long Biên

Tạm dịch:

Giúp nước thịnh ở La Thành, muôn thuở uy danh truyền dấu ngựaBến sông nước, nghìn năm vượng khí giữ Long Biên