Đền thờ An Dương Vương nằm trong quần thể khu di tích Cổ Loa bao gồm: Đền Thượng, đình Cổ Loa (người dân vẫn quen gọi là Ngự Triều Di Quy), am Bà Chúa (am Mỵ Châu) và chùa Cổ Loa (Bảo Sơn tự). Năm 179 trước Công nguyên, Triệu Đà xâm lược nước ta, thành Cổ Loa mất vị trí trung tâm, cho đến thế kỷ VI, Lý Phật Tử đã chọn thành Cổ Loa để đóng đô, đặc biệt vào năm 938, sau chiến thắng quân Nam Hán trên sông Bạch Đằng, Ngô Vương Quyền đã chọn Cổ Loa làm nơi đóng đô của vương triều Ngô với ý nghĩa nối tiếp truyền thống dựng nước và giữ nước của An Dương Vương thuở trước.
Hiện nay, ở Đền Cổ Loa có một câu đối nói về việc Ngô Quyền xây dựng cung tẩm tại đây:
Thục quốc sơn hà nguyên cổ Việt. Loa thành cung tẩm xướng tiền Ngô.
Sông núi nước Thục vốn là nước Việt xưa. Cung tẩm của thành Cổ Loa tiếp tục khởi xướng từ thời tiền Ngô
Vua Thục An Dương Vương được thờ ở các làng thuộc Bát xã Loa Thành: Cổ Loa, Mạch Tràng, Cầu Cả, Thư Cưu, Sằn Giã, Văn Thượng, Ngoại Sát (Vạn Lộc) và Đài Bi. Trong đó, đền chính ở Cổ Loa, còn được gọi là đền “Vua” hay đền “Thượng”. Từ Thượng ở đây có nghĩa là “bậc nhất”.
Để so sánh với những nơi khác cùng thờ An Dương Vương trong vùng Cổ Loa. Đền Thượng được xây dựng trên một khu đất cao nằm ở phía Tây Nam thành Nội, thuộc địa phận xóm Chùa. Đền cách đình “Ngự Triều Di Quy” và Am Mỵ Châu khoảng 300m về hướng Tây, phía Đông là xóm Chợ, phía Bắc là xóm Lan Trì. Đền Thượng có diện tích 19.138,6 m2, được xây dựng theo hướng Nam. Kiến trúc của dền nằm trên trục Dũng đạo (Thần đạo), theo kiểu “trùng thiềm điệp ốc” (ngàn đời ngưỡng mộ) với nhiều nếp nhà, nhiều bậc thềm, qua năm lần cổng, cửa mới vào đến cung cấm. Trước cửa đền có hồ Ngọc Tỉnh, chính giữa là Giếng Ngọc. Tiếp đến là Nghi môn ngoại (cổng ngoài hay tam quan) xây kiểu hai tầng, tầng trên có thượng lâu các chồng diêm cuốn đao cong, tường hoa lan can bao quanh, phía dưới trổ ba cửa cuốn vòm, nền lát đá, chính giữa phía trên vòm cổng ghi dòng chữ Hán “Phủ ngưỡng thiên cổ”. Trên một khoảng sân lát đá rộng trước Nghi môn có ba cây hương đá được dựng ở ngoài trời. Bốn mặt của các cây hương đá đều khắc chữ Hán và chạm nổi hoa văn hình rồng, sóng nước. Hai bên bậc thềm vào cửa chính là đôi rồng đá chầu có niên đại tạo tác từ Lê Trung Hưng (1732). Đôi rồng được chạm trên một khối đã nguyên, bộ thành bậc đền Cổ Loa là bộ thành bậc duy nhất trên cả nước gắn với di tích đền Thượng thờ vua An Dương Vương. Đôi rồng đá đền Thượng là hình tượng biểu trưng cho năng lượng của trời đất, thể hiện cho quyền lực của nhà vua - vị thần Chủ - đức vua An Dương Vương, là vật thiêng mang lại sinh khí cho ngôi đền thờ. Đôi rồng này năm 2023 đã được công nhận là bảo vật quốc gia.
Qua Nghi môn ngoại là sân Rồng hạ lát gạch Bát Tràng, giữa sân có một con đường lát đá chạy thẳng đến cửa chính Nghi môn nội. Do có quan niệm cho rằng: Đền được xây dựng trên “đầu rồng”, vì thế người ta đã tạo nên ở hai bên sân Rồng hạ hai giếng nhỏ được gọi là “mắt rồng”, tương xứng nhau, bên cạnh có hai gò đất cao gọi là “hàm rồng”.
Nhà Tiên Từ làm ba gian cuốn đao, mái lợp ngói ống, cửa chính lớn ở giữa, hai cổng nhỏ hai bên làm lối đi lên sân Rồng, nơi tổ chức các nghi lễ trong lễ hội hằng năm.
Nghi môn Nội được đặt cao hơn mặt sân, lối lên có 7 bậc thềm đá xanh, hai bên bậc thềm là đôi rồng tạo bằng vữa hợp chất.
Qua Nghi môn nội là đến sân Rồng thượng, được lát bằng gạch Bát Tràng, chính giữa là con đường lát đá xanh dẫn lên nhà Tiền tế hay còn gọi là Đại bái hay Tiền bái. Tiền tế là một kiến trúc bề thế, mái lợp ngói mũi hài, có các góc đao cong vút và đắp tượng nghê chầu. hai dãy nhà hành lang tả hữu vu hai bên được xây kiểu tường hồi gits đốc nối tiền tế và trung đường, giữa hai lối hành lang là một tòa phương đình (hay còn gọi là nhà Vuông, nhà Thiêu hương), làm thành mặt bằng hình chữ “hồi”. Kiểu thức này cũng gọi là “tứ thủy quy đường”. Sau Phương đình là Trung đường, một tòa nhà ba gian hai dĩ hẹp lòng, nền lát gạch Bát Tràng, mái lợp ngói mũi hài; cửa được sơn son thếp vàng các họa tiết trang trí hình “lưỡng long chầu nguyệt”, “tứ linh” đường nét rất tinh xảo. Tại đây có đặt ban thờ thần Kim
Quy, vị thần theo truyền thuyết đã giúp vua Thục xây thành.
Hậu cung là một tòa nhà kiểu “chuôi vồ”, đấu mái liền với Trung đường, có tường bao ba mặt, ban thờ vua đặt ở gian chính giữa, có bức tượng An Dương Vương được đúc bằng hợp kim đồng với kỹ thuật đúc bằng khuôn sáp (sáp ong) rất tinh xảo, có các đồ án hoa văn rất tinh xảo nặng gần 200kg, có niên đại 1897. Niên đại này được khắc vào phía sau vai phải của bức tượng: Năm Đinh Dậu 1897. Bức tượng này là một di vật quý, độc bản chưa từng thấy ở bất cứ di tích nào thờ An Dương Vương nên đã được công nhận là bảo vật quốc gia vào ngày 31/1/2023. Trước khám thờ vua hiện có đặt bàn thờ với đôi hia và chiếc mũ rồng. Phía cuối tường Hậu cung có đặt hai ban thờ ngai bài vị: ban thờ hoàng hậu ở phía tây và ban thờ phụ mẫu của vua ở phía đông. Bên cạnh khu đền chính còn có hai nhà Giải vũ (nhà khách), nằm sát hai hồi phía đông và phía tây nhà Tiền tế; ngoài ra trong kiến trúc đền còn có nhà bia.
Nhà bia nằm trong tổng thể kiến trúc ngôi đền, được xây dựng trên một khu đất cao phía Tây của sân rồng thượng, mặt quay vào đền. Nhà bia có kích thước nền: 9,3m x 10,46m. Đây là một công trình kiến trúc nhỏ có dạng Phương đình, hai tầng tám mái - một kiến trúc gỗ mái lợp ngói mũi hài, khá hài hòa xinh xắn với các góc đao cong vươn mạnh ra bốn phía, có đắp tượng nghê ở bốn góc tầng mái dưới, đỉnh mái tầng trên đắp nổi hình búp tạo dáng thanh thoát cho bố cục mái nhà. Từ dưới lên hành lang ngoài cùng theo kiểu bậc tam cấp, hai bên thành bậc xây theo kiểu cuốn thư, lan can là tượng hai con nghê chầu bằng đá chiều dài từ móng đến đuôi là 3m; các chi tiết bờm, mào, móng vuốt được chạm nổi rất sinh động.
Có 5 tấm bia đá lớn nhỏ khác nhau dựng trong lòng nhà bia. Đặc biệt ở chính giữa có một tấm bia trụ lớn, mũ bia kiểu mui luyện. Đây là một tấm bia vuông cao khoảng 2m, dày 0,8m, đẹp về cả hình khối lẫn trang trí. Cả bốn mặt bia đều khắc chữ Hán. Mặt chính quay hướng Bắc có đề “Tạo lập thạch bi”, lập năm Thịnh Đức thứ 2 (1654).
Bốn tấm bia ở xung quanh có ghi lại một số luật lệ, quy định ruộng đất dành cho việc thờ cúng, tế lễ của một số vua thời Lê - Trịnh và thời Nguyễn nói về việc thờ phụng ở ngôi Đền này: Tấm bia ở góc Đông Bắc có tên là: “Đông thành bi ký”, bia phía tây bắc là “Tuế thứ giáp dần” đều được dựng vào năm Duy Tân thứ tám (1914); Hai bia này chỉ có một mặt chữ. Tấm bia nhỏ ở phía Tây Nam có hai mặt, mặt Bắc tên là “Cung phụng sắc lệnh tôn phong chuẩn cấp”, ghi lại sắc chỉ tôn phong mỹ tự cho An Dương Vương vào năm Chính Hòa thứ tư (1683). Mặt Nam có tên “Nhiên thuế tô dịch khắc chí”, lập năm Chính Hòa thứ bảy (1686) khắc bốn lệnh chỉ về ruộng đất phục vụ tế lễ, miễn sai dịch; lệnh chỉ cổ nhất, năm Hoằng Định thứ năm (1605) là của Đô nguyên soái Tăng quốc chính Thượng phụ Trịnh Tùng; lệnh chỉ năm Đức Long thứ tư (1632) do Đại nguyên soái Thống quốc chính Thanh Đô Vương Trịnh Tráng ban; lệnh chỉ năm Phúc Thái thứ sáu (1648) là của khâm sai các sử tiết chế thủy bộ chư dinh Chưởng quốc, quyền binh tá tướng Thái úy Tây quốc công. Tấm bia phía Đông Nam cũng có hai mặt chữ. Mặt phía Bắc là “Chính pháp điện thạch bi”, không rõ niên đại; mặt phía Nam là “Mộ nhi tỉnh linh”, lập năm Chính Hòa thứ mười (1689). Hai mặt bia này ghi lại việc phụng thờ An Dương Vương tại Đền Thượng và sự cung tiến, đóng góp để xây dựng đền
Hiện nay, đền thờ An Dương Vương còn lưu giữ nhiều hiện vật có giá trị như: khám thờ trong Hậu cung, hương án ở Tiền tế, cạnh hương án có tượng đôi ngựa hồng khá đẹp, to bằng kích thước thực, được tạo tác vào năm 1715. Bên cạnh có một bộ kiệu bát cống và một bộ kiệu văn khá lớn; câu đối, đại tự, bát bửu, các loại chân nến, đèn cũng là hiện vật có từ lâu đời được tạo tác công phu và có giá trị nghệ thuật. Ngoài ra còn có 14 sắc phong, trong đó có 12 sắc phong thuộc thời Lê và 1 sắc phong thời Quang Trung, 1 sắc phong thời Quang Toản; 17 sắc chỉ, lệnh dụ, trong đó có 8 đạo thuộc thời Lê, 8 đạo thuộc thời Nguyễn và 1 đạo thuộc thời Quang Trung. Tập Ngọc phả Cổ Lục, Cổ Loa thánh tích được ghi chép lại và lưu giữ tại đền.
Đền thờ An Dương Vương ở Cổ Loa là di tích lịch sử quan trọng được nhiều thế hệ giữ gìn, trân trọng bởi Cổ Loa là hiện diện sinh động của những trang lịch sử bi hùng của dân tộc Việt Nam. Khu di tích Cổ Loa, trong đó có đền thờ An Dương Vương, đã được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định công nhận Di tích lịch sử cấp quốc gia đặc biệt năm 2012.