Chùa Diên Hựu bắt đầu xây dựng vào tháng Mười (âm lịch), năm 1049 dưới thời vua Lý Thái Tông. Trong năm 1105, vua Lý Nhân Tông cải tạo và mở rộng chùa để trở thành một quần thể kiến trúc rộng lớn ứng với hồ Linh Chiểu và thêm vào một tòa sen mạ vàng trên đỉnh cột. Bên trong tòa sen là ngôi đền màu tím với hình ảnh chim thần ở mái nhà. Có một bức tượng mạ vàng của Đức Phật Quán Thế Âm bên trong. So với quy mô và hình thức thời Lý – Trần chùa Một Cột hiện nay đã thay đổi khá nhiều, tuy nhiên, lối kiến trúc nhất trụ vẫn là kiến trúc cơ bản.
Chùa có kết cấu hình vuông mỗi chiều 3m, làm bằng gỗ, mặt tiền để ngỏ, 3 phía còn lại làm bằng ván gỗ bưng kín, phía trên có mái gói, bốn góc uốn cong tạc hình lưỡng long chầu nguyệt. Toàn bộ kiến trúc chùa được xây dựng trên một cột đá hình trụ có đường kính 1,2m cao 4m chưa kể phần chìm dưới nước. Trụ đá gồm 2 khối gắn liền với nhau, thoạt nhìn tưởng như là một khối. Phần trên thân trụ mang 8 cánh gỗ trông tựa bông sen nở, gắn liền với mộng 8 cột của chùa (4 cột lớn và 4 cột phụ). Các cột này đỡ lấy các đòn ngang của mái chùa. Nóc chùa có mặt nguyệt bốc lửa, 2 đầu rồng chầu về mặt nguyệt. Trong chùa tượng đức Phật Quan Thế Âm ngồi trên một bông sen bằng gỗ sơn son thiếp vàng đặt ở vị trí cao nhất. Phía trên bức tượng Phật là Hoành Phi “Liên hoa đài”. Trên chùa có độc nhất một lối nhỏ dẫn vào chính điện bằng 1 cầu thang 10 bậc, lát gạch chỉ, hai bên có thành tường xây gạch. Nhìn tổng thể ngôi chùa như một bông sen lớn vươn thẳng lên giữa hồ nước chính là sự thanh cao thoát tục của nhà Phật.
Nét độc đáo của kiến trúc chùa Một Cột là toàn bộ ngôi chùa được đặt trên một cột đá. Ở đây, có sự kết hợp táo bạo của ý tưởng tượng, lãng mạn đầy thi vị qua hình tượng bông sen và những giải pháp hoàn hảo về kết cấu kiến trúc gỗ, đá được phù trợ bởi cảnh quan, có ao, có cây cối đã tạo nên sự gần gũi, tinh khiết mà vẫn thanh bạch. Ao hình vuông ở phía dưới biểu tượng cho đất (trời tròn đất vuông) ngôi chùa vươn lên như một ý nghĩa cao cả lòng nhân ái soi tỏ thế gian. Hình ảnh hoa sen tượng trưng cho trí tuệ miên mãn. Chùa Một Cột là biểu tượng độc lập, Diên Hựu chỉ sự tồn tại hiện hữu lâu dài. Từ giấc mơ lành của nhà vua thủa nào, trải qua năm tháng ngôi chùa với lối kiến trúc độc đáo vẫn vững vàng cùng đất nước đi qua bao thăng trầm của lịch sử.
Cách chùa Một Cột khoảng 10m về phía Tây Nam là chùa “Diên Hựu tự”. Chùa được dựng trên mảnh đất ruộng Quy Điền ngày xưa, qua cổng là một lối đi nát gạch dẫn vào khoảng sân rộng, là nơi thờ tự của nhà Tiền Đường, nhà thờ tổ, thờ mẫu theo kiến trúc 5 gian giống các ngôi chùa truyền thống Việt Nam. Trải qua nhiều biến cố lịch sử chùa Diên Hựu tự đã được trùng tu lại nhiều lần. Hiện, trong chùa còn chiếc khánh đồng niên hiệu: “Đại Thanh Càn Long niên tạo”, chiếc chuông đồng được đúc thời nhà Nguyễn treo trên cổng chính của chùa, 33 tấm bia ghi công đức xây dựng, gần 40 pho tượng và rất nhiều đại tự, câu đối, cửa võng…
Chùa Một Cột là một trong những ngôi chùa nổi tiếng và được nhắc đến nhiều nhất trong lịch sử Việt Nam cũng như trong giới nghiên cứu trong và ngoài nước. Năm 1962, chùa Một Cột được Bộ Văn hóa và Thông tin (nay là Bộ VHTTDL) xếp hạng di tích lịch sử kiến trúc nghệ thuật cấp quốc gia đợt đầu tiên. Ngày 4/5/2006, Tổ chức Kỷ lục Việt Nam đã xác lập chùa là “Kỷ lục Việt Nam”. Ngày 10/10/2012, Tổ chức Kỷ lục châu Á đã xác lập: “Ngôi chùa có kiến trúc độc đáo nhất” cho chùa Một Cột.