Theo các tư liệu hiện còn, Đình Liên Lý được khởi dựng từ khá sớm, ít nhất từ thế kỷ XVIII. Những dấu tích trên thượng lương và các cấu kiện kiến trúc cho biết đình từng được tu sửa vào năm 1853 dưới triều Tự Đức và tiếp tục được sửa chữa vào năm 1935 dưới triều Bảo Đại.
Trong quá trình tồn tại, di tích nhiều lần bị tác động bởi chiến tranh và những thay đổi của đời sống xã hội. Một số cấu kiện từng được tháo dỡ, di chuyển; đến năm 1990 được đưa trở lại để phục hồi đình. Hậu cung được tu bổ năm 1997, sau đó khuôn viên, nền sân, tường bao và cổng đình tiếp tục được chỉnh trang.
Đình hiện nằm trên khu đất cao, thoáng ở trung tâm làng. Các hạng mục chính gồm cổng đình, sân đình, đại đình và hậu cung, tạo thành không gian kiến trúc truyền thống, là nơi vừa thờ tự vừa tổ chức các hoạt động cộng đồng.
Đại đình hiện có kết cấu gỗ với ba gian hai chái, mái lợp ngói ta, các bộ vì được tạo tác theo kỹ thuật truyền thống. Đáng chú ý là hệ thống trang trí tập trung tại các bức cốn, đầu dư, đầu kẻ, xà chồng với những đề tài quen thuộc của nghệ thuật đình làng Việt Nam như rồng, phượng, tứ linh, tứ quý, vân mây, hoa lá và văn triện.
Đặc biệt, bốn đầu dư tại hai vì gian giữa được chạm hình đầu rồng với kỹ thuật chạm lộng, chạm bong kênh, tạo hình khối sinh động. Bức cửa võng tại gian giữa đại đình cũng là điểm nhấn nghệ thuật với hình rồng chầu, hổ phù, tứ linh và tứ quý. Những đường nét trang trí vừa tạo vẻ uy nghiêm cho không gian thờ tự, vừa phản ánh quan niệm thẩm mỹ, tín ngưỡng và ước vọng về cuộc sống bình an, no đủ của cư dân nông nghiệp xưa.
