Theo các tài liệu chữ Hán còn lưu giữ ở đình như sắc phong, bia đá cùng truyền thuyết ở địa phương cho biết: Cầu Cả là một trong bát xã được các triều đại phong kiến giao cho việc phụng thờ An Dương Vương làm thành hoàng (tục gọi là bát xã Cổ Loa hay bát xã Loa Thành). An Dương Vương tên là Thục Phán, dựng nên nước Âu Lạc vào năm 208 tr. CN trên cơ sở thống nhất Tây Âu và Lạc Việt. Ông là nhà quân sự tài ba, có công xây thành Cổ Loa, chống lại các cuộc tấn công xâm lược của Triệu Đà bảo vệ đất nước. Vua An Dương Vương được phụng thờ ở nhiều nơi.
Trước đây đình tọa lạc ở ngay đầu làng. Năm 1923, dân làng di chuyển vào vị trí hiện nay (trên câu đầu trái của đình còn dòng chữ ghi ngày cất nóc là ngày tốt, tháng Quý Đông tức tháng Chạp năm Quý Hợi niên hiệu Khải Định). Đình được tu sửa nhiều lần. Trước năm 1945, hậu cung được tu bổ. Trong kháng chiến chống thực dân Pháp đình bị phá dỡ, hư hỏng nặng.
Căn cứ vào một số di vật như sắc phong, thần tích soạn năm Hồng Phúc thứ 1 (1572), chép lại năm Vĩnh Hựu thứ 6 (1740), bát hương, ngai thờ thời Hậu Lê… có thể khẳng định việc xây dựng đình Cầu Cả sớm nhất cũng từ thế kỷ XVIII.
Sau ngày hòa bình, nhân dân đã trùng tu sửa lại đình, lắp lại cửa ván, xây tường gạch xung quanh đại đình. Gần đây nhất di tích được tu bổ tổng thể với cổng nghi môn, đại đình, hậu cung, am bà chúa cùng một số công trình phụ trợ khác.
Đình Cầu Cả tọa ngự trên một khu đất ở giữa làng, có hệ thống tường bao riêng biệt với kiến trúc dân dụng ở xung quanh. Đất của đình không rộng, sát với nghi môn là đường trục lớn ở giữa thôn. Ngôi đình được làm theo hướng tây, bố cục mặt bằng lối chữ “nhị” gồm 2 phần kiến trúc chính: Đại đình, hậu cung. Trước đại đình có sân lát gạch bát. Hai trụ giữa xây vuông mở ra cửa lớn chính trục thần đạo, đỉnh trụ trang trí trái giành chúp phượng, trán hổ phù, ô lồng đèn để trống, thân trụ không đắp câu đối. Hai cổng nhỏ nối với trụ lớn bằng tường thấp, làm cuốn vòm chồng diêm 2 tầng mái, đắp ngói ống, uốn cong 4 góc, tiếp đến là hai trụ nhỏ, đỉnh lân chầu, trên ô lồng đèn và thân trụ để trống, không có hoa văn trang trí.
Đại đình được xây theo lối tường hồi bít đốc, tay ngai, có trụ biểu, mái lợp ngói mũi hài, nền làm cao trung bình, có 3 bậc lên xuống lát đá xanh. Đại đình có 5 gian 2 dĩ với 6 bộ vì, đầu hoành gối tường đốc không có vì đỡ áp hồi. Mỗi bộ vì gồm 4 hàng chân cột gỗ, các cột lớn có chân đá tảng đỡ, chân tảng chôn bằng nền. Trong tòa đại đình hiện còn bức cửa võng chạm tứ linh, tứ quý mang phong cách nghệ thuật thế kỷ XIX. Ngai thờ bằng gỗ có đủ mâm ỷ, bài vị; có 2 kiệu được sơn thếp rực rỡ, kiệu bát cống với mô típ chạm rồng vân mây, hoa lá khá tinh tế. Hệ thống cửa bức bàn chạy suốt 5 gian theo lối thượng song hạ bản, chỉ bào trơn ghép bén soi gờ, không trang trí hoa văn.
Tường hậu xây ở phần gian cạnh và dĩ, 3 gian giữa không tường, thông liền vào một sân hẹp trước cửa hậu cung. Ở hai cột cái phía sau vì trung tâm có cửa võng, mặt nền ở giữa cột cái và cột quân phía sau gian giữa có xây một bục gạch cao hơn nền đại đình. Trước đây, đại đình Cầu Cả có sàn gỗ, sau kháng chiến mới xây tường, dấu tích các lỗ dầm sàn và bậu cửa hiện vẫn còn trên một số các cột đình.
Phía sau đại đình có một sân hẹp lát gạch bát, có bậc thềm dẫn lên hiên của hậu cung. Hậu cung có 3 gian với 4 bộ vì được làm song song với đại đình. Hiên của hậu cung rộng do kẻ trường đua đỡ mái, cửa cung cấm làm lối bức bàn cả 3 gian, mỗi gian lắp 4 cánh, làm lối thượng song hạ bản. Gian giữa trong cung đặt khám thờ gỗ phía sau, trước xây bục gạch để sập làm ban thờ, ngoài hiên có hương án ở gian giữa làm ban thờ ngoài.
Hai bên đốc hậu cung xây tường liền với tường hậu của đại đình có cửa cuốn vòm làm lối ra sau, ở bên trái hậu cung có am nhỏ thờ Mỵ Châu. Am thờ có thiết kế tiền kẻ hạ bảy bán mái một gian, 2 dĩ hẹp tạo hiên rộng, phía sau gác hoành tạo một gian xây ban đặt ngai thờ.
Trang trí nghệ thuật trong kiến trúc đình Cầu Cả được tập trung chủ yếu ở đại đình, các trang trí có phong cách nghệ thuật khá đồng nhất, mang đậm nét nghệ thuật kiến trúc thời Nguyễn, thế kỷ XIX. Trên các thân xà, câu đầu, thượng lương có các hình chạm nổi lá cúc, vân mây, chấm sáng, hình triện ở đấu kê. Có một bức chạm nổi ở ván mặt ngoài vì trung tâm miêu tả hình phượng hóa, kết hợp chân triện, đây là sản phẩm của lần trùng tu đầu thế kỷ XX.
Tập trung các trang trí của đại đình ở cốn trung tâm mặt trong phía trước và các đầu dư. Cốn miêu tả hệ tứ linh, các chạm khắc rất cầu kỳ, đan xen tài tình giữa nghệ thuật tả thực và cách điệu, thể hiện bàn tay khéo léo của các nghệ nhân. Tại 4 vì giữa của đình, các đầu dư đều có chạm khắc hình đầu rồng, có 8 đầu dư, trong đó có một đầu dư được làm lại khi sửa chữa. Các đầu rồng được khắc họa mỗi vẻ mỗi khác, nghệ thuật chạm phóng khoáng, sinh động và mang đậm phong cách nghệ thuật thời Nguyễn thế kỷ XIX. Đầu dư làm lại đơn giản và đó là sản phẩm của lần sửa chữa thay thế ở đầu thế kỷ XX.
Đình Cầu Cả còn giữ được những di vật có giá trị như 2 cuốn thần tích; bản hương ước thôn Cầu Cả; có 15 đạo sắc phong từ thời Hậu Lê đến thời Nguyễn, sắc sớm nhất có niên hiệu Cảnh Hưng 28 (1767), đặc biệt có sắc thời vua Quang Trung, Cảnh Thịnh; ngai thờ gỗ sơn son thếp vàng nghệ thuật thế kỷ XVIII; bộ kiệu bát cống với các đòn được chạm khắc tinh xảo, cầu kỳ. Bộ kiệu long đình, nghệ thuật thời Nguyễn thế kỷ XIX, giá văn gỗ có chạm khắc cầu kỳ, nghệ thuật thời Hậu Lê thế kỷ XVIII cùng một số đồ thờ khác.
Vào ngày mồng 6 tháng Giêng hàng năm, thôn Cầu Cả và các thôn làng thờ An Dương Vương đều tổ chức đoàn rước lễ, rước kiệu và các lễ vật về đền Cổ Loa tham dự lễ hội. Những năm tổ chức lớn có lễ hội đồng bát xã. Thôn Cầu Cả là một thành viên tham gia các hoạt động tế lễ cùng các thôn làng trong bát xã. Sau ngày hội chung, các thôn của bát xã tiếp tục mở cửa đình tế lễ và lễ hội riêng ở từng thôn. Thôn Cầu Cả có 4 giáp (Bắc, Đông, Đoài, Nam) phải đảm đương 8 cỗ thờ để tế thành hoàng. Hội làng gồm có hát tuồng cổ, chơi cờ người, tổ tôm điếm và các hoạt động vui chơi truyền thống khác.
Với những giá trị về lịch sử và kiến trúc nghệ thuật, di tích đình Cầu Cả được UBND thành phố Hà Nội xếp hạng di tích Lịch sử kiến trúc nghệ thuật cấp Thành phố tại Quyết định số 1652/QĐ-UB/2003 ngày 25/3/2003.