Cửa chùa nhìn ra hướng tây, ngoài cùng là tam quan kiểu hoa biểu bốn trụ, điển hình của kiến trúc thời Nguyễn. Sân chùa có hai ngọn tháp cao ba tầng, bên cạnh dựng hai bia đá lớn trong tổng số 28 bia tại chùa.
Bia có niên đại sớm hơn cả là tấm bia dựng năm Chính Hòa thứ 24 (1703) do tiến sỹ Hồ Tông Mục soạn. Bia ghi rõ chùa được xây dựng tại phường Hòe Nhai ở Đông Bộ Đầu. Nhờ có bia này mà giới sử học ngày nay xác định được Đông Bộ Đầu (bến Đông) là địa danh đã diễn ra trận đánh lịch sử đuổi quân Mông – Nguyên xâm lược ra khỏi kinh thành Thăng Long ngày 29/1/1258.
Khu thờ chính của chùa gồm bốn tòa nhà xếp hình chữ Công. Phía trước là hai bái đường liền mái chạy song song, mỗi tòa nhà năm gian. Chính điện gồm ba gian nằm dọc, phía sau là nhà tổ bảy gian. Sát bên phải nhà thờ tổ, đối xứng với thượng điện là tòa kinh viện (nhà để các bộ kinh) gồm 13 gian. Thượng điện có 68 pho tượng Phật, đều được sơn son thếp vàng, bài trí làm sáu lớp. Đặc biệt ở bên trái thượng điện có pho tượng tạc Phật ngồi trên lưng ông vua đang phủ phục, thể hiện hình tượng sám hối.
Về pho tượng lạ này, có người đã giải thích: Vua Lê Hy Tông (1675 – 1705) thi hành chính sách chống Phật giáo rất hà khắc. Vì thế hòa thượng Chân Dung – vị sư tổ thứ hai của chùa Hòe Nhai – đã viết một bài biểu, bỏ vào một cái tráp, đem đến triều đình, dâng lên nhà vua và nói rằng: Trong hộp có ngọc minh châu.
Nhà vua mở hộp ra xem không thấy ngọc mà chỉ thấy bài biểu, đại ý nói nhà Lê được trị vì lâu bền chính là nhờ sự độ trì của đức Phật. Sau đó vua Lê Hy Tông hạ chiếu sám hối, thay đổi thái độ đối với Phật giáo.
Có lẽ xuất phát từ câu chuyện trên mà người đời sau tạc nên bức tượng một vị quốc vương trong tư thế phủ phục, để Phật ngồi trên lưng, đặt ở chùa. Trong thượng điện còn bảo lưu được nhiều bức cốn chạm lộng, chạm nổi hình tứ lính và hệ thống cửa võng sơn son thếp vàng lộng lẫy thể hiện các đề tài: Cúc, trúc, thọ, mai, hoa, điểu…
Các hiện vật trong chùa Hòe Nhai khá phong phú gồm: Chuông đồng có niên hiệu Tự Đức thứ 17 (1864), khánh đồng lớn (cao 1m, rộng 1,5m) đúc năm Giáp Dần, niên hiệu Long Đức thứ ba (1734) đời vua Lê Thần Tông…
Hệ thống tượng Phật cũng phong phú, làm bằng nhiều chất liệu khác nhau: Đồng hun, gỗ quý, đất nện… Các tượng đều chứa đựng giá trị nghệ thuật nhất định trong mỗi kiểu dáng thuần hậu. Các pho tượng tổ của chùa đều biểu hiện chân dung như thực, là những tượng đẹp, câu đối, mỗi vị biểu lộ một nét riêng, một cuộc đời riêng.
Năm 1963, chùa dựng thêm một tháp tên là Ấn Quang để tưởng nhớ hòa thượng Thích Quảng Đức, tên thật là Nguyễn Văn Khiết (1897 – 1963) đã tự thiêu ở Sài Gòn để phản đối Ngô Đình Diệm đàn áp Phật giáo. Theo các tấm bia ở chùa thì chùa được xây dựng trước năm 1703 và đã trải qua nhiều lần trùng tu, tôn tạo vào các năm 1812, 1899, 1920.
Chùa Hòe Nhai hiện nay còn khá nguyên vẹn. Khuôn viên chùa còn nguyên dáng dấp cổ xưa.
Di tích này thường xuyên được các tăng ni, phật tử chăm lo bảo vệ, hướng dẫn khách thập phương đến lễ bái, chiêm ngưỡng. Nhiều đoàn khách trong và ngoài nước đã đến tham quan, du lịch.
