Đền Trần Thương được xây dựng trên một khu đất rộng, nằm biệt lập. Giới hạn không gian của đền là hệ thống tường xây bằng gạch đặc trát vữa kết hợp với các đoạn kênh, ao hồ. Tổng thể ngôi đền quay về hướng Nam, gồm các hạng mục: Nghi môn ngoại, Đường chính đạo, Nghi môn nội, Sân và bình phong, Đền chính, Nhà mẫu, Giếng nước.

Nghi môn ngoại

Nghi môn ngoại có kiến trúc gác 3 tầng mái, gồm 3 cổng ra vào, hai bên xây trụ biểu. Cổng giữa cũng là lối đi chính dẫn và đền, có kiến trúc 3 tầng mái, cửa cuốn vòm, tầng thứ nhất cao +4,85m, rộng 4,57m, bốn góc mái xây lan can gạch men hoa chanh, phía trước đắp đôi cá chép chầu, chiều cao lên đến tầng mái trên cùng + 9,085m. Tầng mái thứ hai và thứ ba kiến trúc kiểu chồng diêm tám mái đao, bờ nóc đắp đôi rồng chầu mặt nguyệt, mái đắp giả ngói ống. Kết cấu Nghi môn ngoại xây tường gạch đặc trát vữa, trên mỗi khoảng tường đều đắp trát trang trí con giống, hoa văn, gờ chỉ đẹp.

Đường chính đạo

Đường chính đạo lát bằng gạch chỉ lối từ tam quan ngoại vào sân đền, dài 50m, rộng 5m, hai bên đường là hai hàng cây xanh tạo cảnh quan cho di tích.

Nghi môn nội

Nghi môn nội xây kiểu trụ biểu, hai trụ chính có tiết diện hình vuông, xây gạch đặc trát vữa, soi chỉ trang trí. Trên mỗi trụ đắp một con lân chầu hướng vào trong. Hai cổng phụ hai bên xây dạng cuốn vòm, hai tầng tám mái có chồng diêm. Mái cổng đắp hình ngói ống, tầng mái dưới có đầu đao cong trang trí hoa văn cách điệu, tầng mái trên cũng được đắp đầu đao, trên bờ nóc đắp hai kìm nóc hình đầu rồng há miệng ngậm bờ nóc.

Sân và bình phong

Đi qua Nghi môn nội là khoảng sân đền rộng khoảng 600m², được lát bằng gạch đỏ. Bình phong nằm ở vị trí sau Nghi môn nội, có kiến trúc bằng đá, trên bình phong trang trí hoa văn.

Đền chính

Đền chính gồm các hạng mục Cổ lâu, Tiền tế, Tả hữu vu, Hồ khẩu, Trung điện, Hậu cung, tổng thể có kích thước 16,8m x 24,18m. Hai bên phải, trái của công trình là hai giếng nước, kè bằng đá xanh.

Cổ lâu nằm ở phía trước gian giữa của Tiền tế, có mặt bằng hình vuông, rộng 2,52m, cốt nền +0,6m so với cốt sân, nền lát gạch men xi măng. Cổ lâu có kiến trúc hai tầng dựng theo kiểu chồng diêm tám mái, lợp ngói mũi hài, trên bờ nóc và các bờ dải có đắp rồng, phượng.

Tiền tế có 5 gian 2 chái, gồm 6 vì kèo làm bằng gỗ lim. Mỗi vì kèo gồm 4 cột, các cột làm kiểu búp đòng giữa to hai đầu nhỏ, đặt trên chân tảng đá xanh. Bộ vì nóc kết cấu kiểu chồng rường, giá chiêng. Trên các con chồng, câu đầu, cột trốn, xà nách, đầu bảy…, được chạm khắc hoa văn cách điệu, các mảng chạm này được dùng bằng những thủ pháp chạm nổi truyền thống.

Giếng Hồ khẩu nối liền không gian với Tiền tế, giếng thông thiên không có mái che, có đường kính 6,39m, độ sâu -2,9m. Thành giếng xây bằng gạch chỉ.

Hai nhà Tả/Hữu vu nối với hai gian đầu hồi của Tiền tế, đối xứng hai bên giếng Hồ khẩu, có kiến trúc giống nhau, khép kín, chồng diêm hai tầng bốn mái. Mái lợp ngói ống, bờ nóc và bít đốc xây gạch trát vữa, tường bằng gạch đặc trát vữa xi măng, cửa ra vào mở ra hướng giếng Hồ khẩu, một cửa phụ thông vào Trung điện, các cửa sổ chắn song mở ra hướng chính và Tiền tế.

Trung điện ở vị trí phía sau giếng Hồ khẩu, diện tích 12,47m x 5,97m, nền lát gạch bát, gian giữa trước ban thờ lát gạch men, nền Trung điện có cốt cao độ + 0,20m. Tòa này có 5 gian, chủ yếu được xây bằng gạch, cao hơn kiến trúc của tiền tế và tả hữu vu. Ở mặt trước, gian giữa có xây một tòa cổ lâu bằng gạch nhô hẳn ra phía giếng, phía trên tạo thành hai làn mái, lợp ngói ống.

Hậu cung là công trình nằm sau cùng có diện tích 2,68m x 5,82m, nối liền với Trung điện. Kết cấu bằng gạch đặc trát vữa, xây dạng cuốn vòm, hai tầng mái đều được lợp ngói ống.

Nhà Mẫu

Nhà mẫu nằm riêng biệt phía sau của Đền chính, có mặt bằng hình chữ “đinh”, kiến trúc 3 gian 2 chái, phía trước nhà Mẫu là khoảng sân lát gạch đỏ mạch chữ “công”.

Giếng nước

Đền có tổng cộng 04 giếng nước, thành được kè bằng đá hộc, có bậc lên xuống xây bằng gạch, bao gồm: 02 giếng nước hình tròn, nằm ở phía trước theo hướng Nam của Đền, mỗi giếng có đường kính 7,5m. Phía sau bên trái hướng Bắc của Đền là một giếng nhỏ, đường kính 4,9m. Phía bên phải theo hướng Tây của Đền còn một giếng nhỏ, lòng giếng hình thoi hiện nay không có nước.