Vào đời Lý Anh Tông, niên hiệu Đại Định thứ ba (1142) có pho tượng đá nổi trên dòng Nhị Hà, tỏa sáng cả một đoạn sông, thuyền bè không dám đến gần. Vua Anh Tông biết chuyện, sai người ra đón rước nhưng không được. Theo ý của các bô lão, người ta lấy vải đỏ buộc vào tượng, làm lễ rồi rước vào. Đó là một pho thượng cao lớn, đầu đội mũ trụ, thân mặc áo giáp, hai tay chỉ lên trời, một chân quỳ, một chân ngả ra. Tương truyền, pho tượng đá ấy là do khí thiêng của Hai Bà Trưng hóa thành sau khi tự vẫn trên sông Hát.

Vua cho dựng đền thờ Hai Bà Trưng ở ngay khu đất bãi sông của làng Đồng Nhân. Đến năm Gia Long thứ 18 (1819), do đất bị xói lở, dân làng phải dời ngôi đền tới khu Cựu Võ Sở của triều Lê ở thôn Hương Viên, nhưng vẫn giữ tên đền cũ. Làng Đồng Nhân khi đó thuộc huyện Thanh Trì, tỉnh Hà Đông. Từ ngày 17-7-1914, nơi đây chính thức được sáp nhập vào địa phận Hà Nội.

Từ nhiều thế kỷ qua, nơi đây đã trở thành ngôi đền thờ Hai Bà Trưng linh thiêng bậc nhất ở kinh đô Thăng Long.

Đền được công nhận là Di tích Lịch sử - Văn hoá từ năm 1962.