Chùa Cổ Loa nằm trong quần thể khu di tích Cổ Loa, có tên chữ là “Bảo Sơn tự”. Chùa tọa lạc trên khu đất rộng 3.300m2, gần trung tâm thành Nội. Phía sau đình “Ngự Triều Di Quy”. Đây là nơi tập trung 3 di tích quan trọng. Ngoài đình, am Mỵ Châu còn có chùa, tạo thành một quần thể kiến trúc tiền Thần hậu Phật. Chùa Cổ Loa được xây dựng từ khá sớm khoảng thế kỷ XVII. Chùa không có tam quan và lối đi riêng phía trước mà cổng mở ra đường làng ở phía đông. Tam quan ở phía sau chùa được xây sau này quay theo hướng bắc nhìn ra vườn chùa. Vì là nơi tọa lạc của ngôi chùa nên xóm này có tên là xóm Chùa.
Chùa có nhiều công trình kiến trúc, được bố cục mặt bằng tổng thể theo kiểu “nội công ngoại quốc”, gồm nhiều tòa nhà có sự liên kết với nhau. Điện thờ Phật ở giữa, phía trước là nhà tiền đường, phía sau là nhà Tổ, hai bên là hai dãy hành lang (mỗi dãy 8 gian) nối liền từ tiền đường với khu nhà Tổ. Riêng tiền đường liên kết với thượng điện tạo thành một kiến trúc theo kiểu chữ “đinh”. Mặt trước tiền đường có khoảng sân ngăn cách với đình “Ngự Triều Di Quy”. Phía sau Tam bảo có tam quan gác chuông làm lối 2 tầng 8 mái. Hai đầu hồi xây tường bít đốc, tầng trên có sàn gỗ, có thang lên sàn, 2 mặt trước sau là lan can gỗ. Trên nóc treo quả chuông đồng đúc năm Gi Long thứ 2 (1804) và một chiếc khánh đồng đúc năm Tự Đức (1848). Gác chuông được phục hồi năm 1990.
Nhà Tổ nằm bên trái chùa, mặt bằng hình chữ nhật, là nơi thờ Tổ. ngoài những công trình kiến trúc trên, trong chùa còn có các công trình khác như: Nhà Mẫu. nhà hậu, nhà khách, cổng hậu. Hiện nay, chùa có 134 pho tượng, trong đó có nhiều tượng bằng đất có niên đại thế kỷ XVIII - XIX. Nhiều tượng có kích thước lớn cao đến 3m như: tượng Khuyến thiện, Trừng ác, tượng Kim Cương, Tứ trấn long thần, Thổ địa, tượng Thích Ca sơ sinh, tượng các vị La Hán... được đặt trong hệ thống hành lang. Mỗi tượng ngồi với tư thế khác nhau và phản ánh khá sinh động về nội tâm của các nhân vật. Trong chùa còn có tượng Tuyết Sơn phản ánh sự khổ công trong tu luyện của đạo Phật, tượng Thích Ca nhập Niết Bàn thoải mái nơi tịch diệt ở cõi an lạc... Chùa Cổ Loa còn lưu giữ các di vật có giá trị gồm: 5 tấm bia từ thế kỷ XVII - XIX, 2 chuông đồng đúc tháng Giêng năm Quý Hợi niên hiệu Gia Long 2 (1803), 1 khánh đồng đúc năm Quý Sửu niên hiệu Tự Đức (1853), bình hương đồng, đồ gốm sứ... Chùa Cổ Loa đã được xếp hạng di tích kiến trúc nghệ thuật cấp quốc gia ngày 05/02/1994 và nằm trong cụm Di tích Quốc gia đặc biệt Cổ Loa được xếp hạng năm 2012.