Đền được xây theo kiểu nội công ngoại quốc nhưng có quy mô nhỏ hơn đền Vua Đinh. Trước mặt đền là khu quảng trường trung tâm cố đô Hoa Lư và núi Đèn nằm bên sông Sào Khê, sau đền là hào nước bảo vệ cố đô chạy dưới chân núi Đìa.

Qua Nghi môn ngoại (cửa ngoài) theo đường chính đạo lát gạch, phía bên trái là một hòn non bộ lớn, cao 3m tượng hình chim phượng múa, mỏ quay vào đền, hai cánh như đang bay. Bên tay phải là nhà Tiền bái, ở mặt tiền có hòn non bộ "Hổ phục" gồm gốc cây duối thân to có 9 núi, tuổi thọ trên 300 năm. Bên trái nhà Tiền bái có hòn non bộ có dáng "voi quỳ" được khắc hai chữ Hán "Bất di".

Theo đường chính đạo bên phải còn có hồ nước rộng. Qua Nghi môn nội (cửa trong) cũng 3 gian, theo chính đạo kiến trúc đăng đối là hai vườn hoa, tiếp đó là hai dãy nhà vọng. Ở giữa vườn hoa bên phải có hai non bộ "Phượng ấp", bên trái là hòn non bộ "Long Mã". Ở sân rồng gần gian giữa của Bái đường có long sàng bằng đá.[4]

Đền có ba toà: toà ngoài là Bái đường, toà giữa là Thiêu hương thờ Phạm Cự Lượng, người có công với vua Lê Đại Hành. Gian giữa chính cung thờ Lê Hoàn ngồi hướng về phía trước, bên phải là Lê Long Đĩnh quay về hướng bắc, bên trái là hoàng hậu Dương Vân Nga quay hướng nam về phía đền vua Đinh. Theo lý giải của dân gian thì mặc dù bà đã xuất giá làm vợ vua Lê Đại Hành nhưng vẫn hướng về người chồng cũ là Vua Đinh Tiên Hoàng. Gian bên trái chính cung thờ công chúa Lê Thị Phất Ngân, con gái Vua Lê và Dương Vân Nga đồng thời là vợ của Lý Thái Tổ sau này. Hoàng hậu Lê Thị Phất Ngân là người sinh ra vua Lý Thái Tông vào năm 1000. Sau khi nhà Lý dời đô về Thăng Long, Bà thường về chùa Duyên Ninh để trông coi lăng mộ vua cha và tác hợp cho nhiều đôi trai gái thành duyên.

Nét độc đáo ở đền thờ vua Lê Đại Hành là nghệ thuật chạm gỗ thế kỷ 17 đã đạt đến trình độ điêu luyện, tinh xảo. Tương truyền, bà mẹ mơ thấy hoa sen mà sinh ra Lê Hoàn, trong lúc đi cấy ở cạnh ao sen. Bà đã ủ Lê Hoàn trong khóm trúc và được con hổ chúa rừng xanh ấp ủ. Sau lời cầu xin của bà mẹ con hổ bỏ đi. Sau này lớn lên Lê Hoàn đã lập ra nghiệp lớn: "Phá Tống, bình Chiêm" lừng lẫy. Vì vậy mà nghệ thuật điêu khắc gỗ dân gian Việt Nam của các nghệ nhân ở đây cũng thống nhất với truyền thuyết về các đề tài ca ngợi Lê Hoàn.