Theo văn bia Vô đề lập năm Tự Đức thứ 9 (1856) hiện đang dựng tại Nhà Địa Tạng của chùa cho biết đất chùa Đồng Quang ban đầu vốn là khu mộ có điện thờ dùng để tế lễ các vong hồn tử trận, được lập vào khoảng những năm 1840 – 1847, dưới triều vua Thiệu Trị. Thời điểm ấy, Tổng đốc Hà Nội Đặng Văn Hòa đã cho thu nhặt và cải táng các hài cốt chiến sĩ hy sinh hợp táng thành mười hai gò mộ, rồi dựng một mộ điện để tế lễ cô hồn tử sĩ. Sở dĩ nơi đây được chọn vì xưa kia là chiến trường ác liệt trong cuộc đại thắng đầu năm Kỷ Dậu (1789) của nghĩa quân Tây Sơn chống quân Thanh xâm lược.
Đến năm Tân Hợi (1851), niên hiệu Tự Đức thứ 4, khi Kinh lược sứ Nguyễn Văn Giai cho mở đường và lập chợ trong vùng đã phát hiện nhiều hài cốt còn sót lại. Ông liền cho thu gom, đắp thành một gò mộ mới, đồng thời kêu gọi các nhà hảo tâm quyên góp để dựng thêm vài gian nhà tế lễ, tưởng niệm những vong hồn cô quả chưa được thờ phụng. Theo văn bia Đồng Quang tự bi ký (1916) ghi chép lại lịch sử chùa, chính trong dịp ấy (1851) chùa Đồng Quang được khởi sáng, công việc xây dựng kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 thì hoàn thành. Thời gian này, Hà Nội bị vỡ đê, có mấy pho tượng Phật trôi dạt đến, mọi người đều cho rằng ứng với việc làm chùa mới; sau đó sư các chùa cúng thêm 6 pho nữa, dân làng đặt tượng thờ và gọi là chùa Đồng Quang (chùa của 2 trại Nam Đồng và Thịnh Quang).
Cũng theo văn bia Đồng Quang tự bi ký (1916), vào năm Mậu Tý, niên hiệu Đồng Khánh (1886), chùa tiếp tục được tu bổ để mở rộng quy mô thờ tự. Đến ngày 4 tháng 3 năm Ất Mão, niên hiệu Duy Tân (1915), chùa được trùng tu lớn, và công trình hoàn thành ngày 4 tháng 2 năm Bính Thìn (1916) với sự đóng góp tiền của của các quan chức trong vùng, cùng sự phát tâm công đức của sư bà tự Nguyên Nhâm. Sư bà mới về trụ trì chùa là người đứng ra trông coi, xuất tiền trùng tu và hoàn thiện ngôi chùa.