Chùa được khởi dựng vào thời Hậu Lê, dưới niên hiệu Chính Hòa thứ 14 (1693), với quy mô gồm Tam quan hai tầng tám mái, chùa chính, nhà Tổ và hệ thống hành lang tả – hữu. Trải qua biến thiên thời gian, hiện nay chùa Chi Đông vẫn còn bảo tồn được chùa chính và nhà Tổ khá bề thế, vững chãi. Chùa chính gồm tòa Tiền đường 9 gian liên kết với Thượng điện 5 gian theo bố cục hình chữ “đỉnh”, tạo nên không gian thờ tự cân xứng, hài hòa. Mái chùa được thiết kế theo kiểu chồng diêm ba tầng tám mái; riêng phần hai mái đầu hồi được làm nhỏ và cao hơn mái Tiền đường để tạo thành lầu chuông và gác trống, tăng thêm vẻ uy nghi của toàn bộ công trình.
Nhà Tổ nằm phía bên trái chùa, gồm 7 gian tạo dáng “chuôi vồ”, xây dựng theo lối “chồng bốn, kẻ truyền”, hệ thống cột kèo chắc khỏe, thể hiện kỹ thuật mộc truyền thống điêu luyện. Các cấu kiện gỗ trong chùa đều thuộc nhóm gỗ quý, được xử lý và lắp ghép theo kỹ thuật mộng sàm chuẩn mực, góp phần bảo đảm sự bền vững lâu dài cho kiến trúc.
Nghệ thuật điêu khắc ở chùa Chi Đông đặc biệt phong phú và tinh xảo. Trên các kẻ, bẩy, dép hoành, kẻ đệm đòn tay đều khắc họa các mô típ trang trí đa dạng như hoa lá, vân xoắn, chữ triện, cùng các linh vật phượng, ly, long, mã. Nhiều tác phẩm còn lại đến ngày nay là sản phẩm của các nghệ nhân dân gian tài hoa, thể hiện trình độ nghệ thuật cao, tiêu biểu như các con nách tại Tiền đường và các bức cốn hai bên Thượng điện chạm các đề tài long – ly – quy – phượng, mai – điểu, tùng – lộc… sống động, sinh khí. Những bức cốn này được đánh giá là những tác phẩm xuất sắc của nghệ thuật chạm khắc gỗ dân gian, mang giá trị thẩm mỹ và lịch sử đặc biệt
Chùa Chi Đông hiện còn lưu giữ một hệ thống tượng pháp có giá trị nghệ thuật cao, gồm 13 pho tượng được tạo tác chủ yếu từ gỗ và đất luyện, mang đậm phong cách điêu khắc truyền thống. Tại Tiền Đường an trí 4 pho tượng theo thứ tự từ trái sang phải gồm: tượng Đức Ông, đôi tượng Hộ pháp Khuyến Thiện – Trừng Ác và tượng Thánh Tăng. Lên đến Thượng Điện là 6 pho tượng bày theo từng cấp uy nghi, gồm bộ Di Đà Tam Tôn, tượng Quan Âm Nam Hải, tượng Ngọc Hoàng và tượng Đức Thích Ca cưỡi long. Mỗi pho tượng đều được tạo hình công phu, đường nét mềm mại và trang phục, hàm diện thể hiện sinh động thần thái tôn nghiêm của chư vị, góp phần tôn thêm không gian linh thiêng của ngôi cổ tự
Chùa Chi Đông được Bộ Văn hoá và Thông tin xếp hạng di tích cấp quốc gia năm 1993.