Được khởi dựng từ thời Lý, ngay từ khi ra đời chùa đã là một danh lam của kinh thành Thăng Long. Chùa cũng từng là nơi ngự giá, thăm viếng của các bậc đế vương. Triều Lý, năm Thông Thụỵ, đạo sĩ Trần Tuệ Long cho nhập xương cốt của các nhà sư về tại chùa. Thời Trần Anh Tông, nhà sư Huyền Trang từ núi Yên Tử cũng chọn nơi đây để giảng kinh Thủ Lăng Nghiêm. Triều Nguyễn, vua Minh Mạng, vua Thiệu Trị đều chọn chùa là nơi dừng chân vãn cảnh.
Theo Tây Hồ chí, chùa được lập thời nhà Lý và có tên là Báo Ân tự (chùa Báo Ân). Tương truyền, thiền sư Ngô Ân (1019-1088) đã khởi lập một am thờ Phật, đời sau mới dựng thành chùa. Đến niên hiệu Thuận Thiên nhà Lê (1428 – 1433), chùa được trùng tu. Thời Hồng Đức (1470 – 1497) thường có cầu đảo tại Báo Ân tự. Trải qua một thời gian dài trong lịch sử, Báo Ân tự vừa là nơi thờ Phật, vừa là nơi tu theo Đạo giáo, cũng là nơi sinh hoạt văn hóa, tâm linh của cộng đồng dân cư. Vào năm Vĩnh Tộ thứ 10 đời Lê Thần Tông (1628), chùa đã được xây dựng lớn bởi công của con gái Thái Tổ Gia Dụ Hoàng đế Nguyễn Hoàng là Công chúa Nguyễn Thị Ngọc Tú, vợ chúa Trịnh Tráng (1623 -1657) và vẫn giữ nguyên tên là Báo Ân tự. Về sau, bà Ngọc Tú xuất gia, tu trì tại chùa. Theo văn bia dựng ngày 12/8/1844 hiện lưu giữ ở chùa, chùa còn có một số tên khác. Nguyên tên chùa từ thời Lê là Long Ân. Năm Minh Mạng thứ hai (1821), nhân chuyến tuần du ra Bắc, vua đã đến thăm chùa, lúc này chùa đã mang tên Sùng Ân tự. Năm Tân Sửu (1841), vua Thiệu Trị đến thăm chùa Sùng Ân mới cho đổi thành chùa Hoằng Ân và cho sửa chùa.
Sau này do chùa ở làng Quảng Bá, nên người đời cứ gọi là chùa Quảng Bá. Thời kỳ kháng chiến chống Pháp, chùa Hoằng Ân là một trong những cơ sở cách mạng an toàn của Đảng ta. Nhiều vị tăng ni trong chùa đã có công nuôi và bảo vệ cán bộ. Nền nhà Tổ của chùa có một căn hầm bí mật cho cán bộ cách mạng trú ẩn. Gác cao kề nhà Tổ là nơi các nhà sư quan sát rất thuận lợi để canh chừng cho những lần hội họp của cán bộ. Đầu năm 1969, Bác Hồ đến thăm chùa, thăm lớp bồi dưỡng chư tăng có công với cách mạng…
Trải qua bao năm, chùa vẫn giữ được quần thể kiến trúc đẹp, trước tòa tiền đường, lầu chuông cao ngất vươn lên cùng mây trời Hồ Tây. Những cây nhãn cổ xum xuê tỏa rộng trên sân gạch đỏ sẫm. Tường chùa xây bằng gạch vồ thế kỷ XV-XVI. Chùa hiện còn lưu giữ được nhiều di vật văn hóa – lịch sử quý hiếm. Ba mươi pho tượng sơn son thếp vàng lộng lẫy, được tạo tác công phu, tinh xảo với nghệ thuật tiêu biểu của thế kỷ XVII, XVIII. Trong đó có pho tượng Quan Âm Nam Hải, kích thước không lớn, nhưng mang một vẻ đẹp rất đặc biệt trong tư thế thiền tọa, chân giẫm trên đài sen nhỏ. Chùa còn có ba pho tượng quý là tượng bà Nguyễn Thị Ngọc Tú, tượng Nguyễn Kim (ông nội bà Tú), tượng Nguyễn Hoàng (cha đẻ bà Tú) mà ở các chùa khác không có. Trong hai quả chuông đồng ở chùa hiện nay, quả chuông nhỏ có niên đại thời Nguyễn, quả chuông lớn được tạo tác từ năm Cảnh Hưng thứ ba (1742) đời Lê Hiển Tông. Thân chuông chia làm bốn múi, tượng trưng cho bốn mùa, có khắc bài văn chuông ghi việc xung công đúc chuông.
Hệ thống bia đá ở chùa Quảng Bá có tới ba mươi bia, hầu hết làm bằng thứ đá xanh mịn rất quý. Một bia tạo dựng vào năm Chính Hòa thứ 21 đời Lê Hy Tông (1700). Đặc biệt có tấm bia khắc hình tượng một ni sư, một số nhà nghiên cứu cho đó là hình tượng Công chúa Nguyễn Thị Ngọc Tú. Nhiều bia có niên đại nhà Nguyễn, rất có giá trị về lịch sử. Trong đó có tấm bia được tạo dựng ngày 12/8 năm Thiệu Trị thứ tư (1844). Ðặc biệt, khu mộ tháp lô xô cao thấp, trầm mặc, là nơi an nghỉcủa nhiều Hòa thượng có công trong sự nghiệp giải phóng và bảo vệ đất nước như Hòa thượng Phạm Ngọc Ðạt, hiệu Bình Lượng là ân nhân của Chủ tịch Hồ Chí Minh trong thời kỳ Người hoạt động ở Thái Lan…
Với những giá trị lịch sử và văn hóa ấy, năm 1991, chùa đã được Bộ VHTT xếp hạng di tích lịch sử văn hóa cấp quốc gia. Và hiện nay vẫn là một địa chỉ văn hóa tâm linh của khách du lịch trong và ngoài nước khi đến thăm Hồ Tây.
