Đây là một công trình tu bổ lớn, được làm rất cẩn trọng để lưu giữ nguyên vẹn nét kiến trúc cổ xưa của di tích được đánh là một trong những ngôi chùa đẹp nhất Hà Nội.
Chùa Kim Liên được dựng trên nền cũ của cung Từ Hoa, thuộc trại Tằm Tang, có tên ban đầu là chùa Đống Long. Đến năm 1771, đời Lê Cảnh Hưng, chùa được tu sửa và đổi tên thành chùa Kim Liên. Năm 1792, đời vua Quang Trung, chùa lại được xây dựng lớn, về diện mạo cơ bản giống như hiện nay. Chùa có tên chữ là "Hoàng Ân tự", vừa thờ Phật vừa thờ công chúa Từ Hoa.
Chùa nằm trên một bán đảo nhỏ. Ngôi chùa có tam quan rất đặc biệt với toàn bộ kết cấu có mái che được đỡ từ các thân cột. Từ giữa các thân cột, những con rường vươn dài tạo nên bộ vì nóc đỡ mái. Bộ mái lợp ngói vảy cá nhiều tầng, ở giữa đột ngột vươn cao như bông sen tỏa nở trên mặt nước Tây Hồ. Chùa hình chữ "tam" gồm ba nếp nhà song song với nhau, tường gạch bao quanh tới tận rìa mái. Ở các đầu hồi nhà có cửa sổ tròn với những dấu hiệu "sắc sắc không không" mang đậm triết lý Phật giáo. Nhìn từ bên hông chùa, các tầng mái nhấp nhô, những đầu đao cong vút tạo cảm giác như các lớp cung điện trùng điệp, phô diễn tài nghệ kiến trúc của người xưa. Cùng với hệ thống tượng quý, chùa Kim Liên còn lưu giữ được một tấm bia cổniên hiệu Thái Hòa tam niên Ất Sửu – tức năm 1445 thời Lê Nhân Tông. Đây là tấm bia cổ nhất ở Hà Nội hiện nay. Năm 1992, chùa được công nhận là di tích lịch sử văn hóa cấp Quốc gia.
Ngôi chùa đã được trùng tu nhiều lần, đặc biệt là vào các năm 1445, 1631, 1639, 1771, 1792. Tuy nhiên, theo thời gian, chùa Kim Liên đã xuống cấp nghiêm trọng. Theo ông Vũ Hoài Phương, Trưởng phòng VHTT quận Tây Hồ, hiện tại không những kết cấu gỗ bị mối mọt, mà nhìn phía ngoài một mái đao cũng đã bị sệ. Khi cả khối mái chùa lớn như thế bị sệ thì cực kỳ nguy hiểm.
Năm 2007, được sự đồng ý của Bộ VH,TT&DL, quận đã lập dự án tu bổ, tôn tạo lại tam quan, toàn bộ tam bảo, đồng thời quy hoạch lại sân vườn của chùa. Dự án được khởi công từ tháng 10/2007 với tổng kinh phí khoảng 12 tỷ đồng từ bốn nguồn là ngân sách chương trình mục tiêu quốc gia, thành phố, quận và xã hội hóa. Việc tu bổ được tiên hành trên nguyên tắc giữ nguyên trạng kiến trúc ban đầu của di tích. Đây là một dự án tôn tạo lớn, được thanh tra Bộ VHTT&DL đánh giá là công trình tu bổ di tích thực hiện nghiêm chỉnh nhất theo đúng Luật Di sản. Sở dĩ công trình kéo dài gần ba năm là vì theo dự án lúc đầu, quận chỉ tiến hành tu bổ toàn bộ tam bảo và phần mái của tam quan. Nhưng khi tháo dỡ, phát hiện hệ thống cột tam quan đã mối mọt gần hết, nên Bộ VHTT&DL tiếp tục có quyết định tu bổ lại toàn bộ tam quan.
Cùng với việc tu bổ đền Đồng Cổ, chùa Tảo Sách… công trình tu bổ, tôn tạo di tích chùa Kim Liên hoàn thành đã góp phần giữ gìn và làm tăng thêm giá trị của hệ thống di sản quanh Hồ Tây.
