Ngày nay chùa ở số 50 Lý Quốc Sư, quận Hoàn Kiếm. Theo sử sách, chùa được dựng từ năm 1131 theo lệnh của vua Lý Thần Tông (1128 – 1138).
Tấm bia "Trùng tu Thiên Thị từ ký" do tiến sĩ Lê Đình Diên soạn năm Tự Đức thứ 8 (1955) đặt ở đây đã ghi lại lịch sử của ngôi đền cũ. Đền Chợ Tiên ở huyện Thọ Xương là nơi thờ Quốc sư Minh Không, người đã có công chữa bệnh cho vua Lý Thần Tông. Phía bên phải đền ngày xưa có tháp Báo Thiên, tương truyền do quốc sư dựng lên. Tháp ấy là một trong bốn vật báu của nước Việt Nam.
Tác giả văn bia cho biết thêm "Quan huyện họ Phan đến trị dân đã 6 năm. Dân xin quan giúp đỡ về việc sửa đền. Quan hết lòng khuyến khích, lại làm xoay đền về hướng đông như trước để nhân cơ sở cũ mở rộng thêm ra: Đền trong có 5 gian dọc, đền ngoài có 5 gian ngang, giải vũ hai bên tả hữu đều 3 gian, đằng trước mở cửa tam quan. Lấy hòn đá đục hình giao long uốn khúc ở trên đỉnh tháp cũ đặt trước nóc tam quan, đó là bảo tồn di tích cũ. Vì lâu năm, màu vàng sắc biếc của tượng thần bị phai mờ, nay đem thếp vàng cho đẹp hơn trước".
Căn cứ vào tấm bia dựng trong đền thì năm Nhâm Thân (1932) có vị thiền sư là Nguyễn Văn Định, hiệu là Quang Huy, trụ trì ở chùa đã bài trí thờ thêm tượng Phật nên đền thờ gọi là chùa từ đó.
Chùa Lý triều Quốc sư (quốc sư thời Lý) vừa mang dấu ấn của đền thờ nhân thần, vừa là chùa thờ Phật nên đã trở thành một nơi linh thiêng của các tín đồ Phật giáo. Ngôi chùa đã qua nhiều lần sửa chữa. Lần trùng tu lớn vào năm 1954 vì giặc Pháp đã phá hủy chùa vào những ngày cuối năm 1946, đầu 1947. Diện mạo, quy mô kiến trúc hiện nay của chùa là kết quả lần trùng tu năm 2000.
