Nằm trên mảnh đất có diện tích 3.000m2, chùa nhìn theo hướng Tây, trông ra con phố cùng tên, được thiết kế theo kiểu “nội công, ngoại quốc”. Ngoài cùng là tam quan chạy dài được thiết kế kiểu hoa biểu bốn trụ điển hình của phong cách kiến trúc thời Nguyễn. Qua tam quan là một khoảng sân hẹp, nơi có 3 tòa tháp được xây thẳng hàng. Ngoài 2 tòa tháp ở phía trước Tam bảo còn có tháp Ấn Quang nằm bên phải cổng chùa được xây dựng năm 1963 để tưởng nhớ hòa thượng Thích Quảng Đức, người đã tự thiêu tại Sài Gòn nhằm phản đối chính sách đàn áp Phật giáo và chính quyền Ngô Đình Diệm.
Qua khoảng sân là tòa tiền đường và nhà thiêu hương nối với hậu cung được xây theo hình chữ “Công”. Phía sau chính điện là nhà Tổ và trai phòng. Các công trình đều được lợp ngói ta với góc mái uốn cong, đắp nổi hình linh thú. Tòa tiền đường được thiết kế kiểu 2 tầng 8 mái. Trong thượng điện có những bức chạm nổi hình tứ linh cùng hệ thống hoành phi, cửa võng được sơn son thếp vàng.
Chùa Hòe Nhai hiện còn lưu giữ 68 pho tượng cổ quý hiếm được làm bằng gỗ, đất nện, đồng hun. Rải rác trong khuôn viên chùa là 28 tấm bia đá, trong đó có tấm bia dựng năm 1703 cùng nhiều di vật cổ như chiếc khánh đồng được đúc năm Long Đức thứ 3 (1734) - đời vua Lê Thuần Tông; trống đồng thời vua Tự Đức (1848 - 1883)... Đặc biệt, trong chùa còn có pho tượng độc đáo mang tên “Vua cõng Phật” được tạo tác vào khoảng thế kỷ XVII, đời vua Lê Hy Tông (1662 - 1716). Pho tượng này gắn với câu chuyện nhà vua ban sắc lệnh “Phế bỏ tăng lữ” khiến Phật giáo nước nhà rơi vào giai đoạn khủng hoảng nghiêm trọng. Khi đó, thiền sư Tông Diễn ở chùa Vọng Lão nằm trên núi Yên Tử (Quảng Ninh) đã diện kiến và thuyết phục nhà vua thay đổi quan điểm.
Để bày tỏ sự sám hối, nhà vua đã cho tạo tác bức tượng “Vua cõng Phật” cao hơn 3m, với hình ảnh nhà vua quỳ rạp, cõng trên lưng đức Phật Thích Ca Mâu Ni, thể hiện sự sám hối và quy phục Tam bảo. Mặc dù đường nét chạm trổ khá đơn giản nhưng lại toát lên thần thái và ý nghĩa đặc biệt, chưa từng có pho tượng nào giống như vậy trong hệ thống tượng Phật của Việt Nam. Năm 2006, tượng “Vua cõng Phật” được ghi vào sách kỷ lục Guinness quốc tế trong lĩnh vực Phật giáo.
Với những giá trị đặc sắc về văn hóa, lịch sử, năm 1989, chùa Hòe Nhai đã được xếp hạng Di tích lịch sử - văn hóa quốc gia.
