Theo “Khâm định Việt sử Thông giám cương mục”, chùa Xã Đàn được xây dựng cùng thời điểm với đàn Xã Tắc (năm 1048, dưới triều vua Lý Thái Tông), nằm ở phía tây nam kinh thành Thăng Long. Đây là nơi thờ thần Hậu Thổ (thần Đất) và thần Nông (thần Ngũ Cốc). Ngoài ra, chùa còn là nơi thờ Thành hoàng làng Bảo Hoa công chúa - chị gái của Thái úy Lý Thường Kiệt, người có công cùng ngài phá Tống, bình Chiêm. Trước kia, nhân dân làng Xã Đàn thờ bà tại đền Cây Si ở khu vực gần đó, nhưng sau này đền bị phá, việc hợp tự được chuyển về nhà Mẫu trong khuôn viên chùa.
Chùa Xã Đàn quay về hướng Đông. Tam quan chùa khá đồ sộ, được xây theo kiểu chồng diêm, hai tầng tám mái. Chính giữa cổng đắp 3 chữ: “Kim Yên tự”. Qua tam quan tới lầu Quan Âm được làm bằng đá xanh, trong lầu đặt pho tượng Phật bà Quan Âm được tạo tác bằng đá trắng đứng trên đài sen.
Khuôn viên chùa chính quay về hướng đông nam. Tiền đường gồm 7 gian, xây kiểu tường hồi bít đốc tay ngai, mái lợp ngói ta. Thượng điện gồm 4 gian nhà dọc, được kết cấu kiểu “thượng giá chiêng, hạ cốn rường” trên mặt bằng hai hàng chân cột. Nhà Mẫu gồm 3 gian 2 dĩ, xây kiểu tường hồi bít đốc. Nhà Tổ có thiết kế dạng chữ “Đinh”, gồm 3 gian tiền tế, 1 gian hậu cung. Phía sau chùa là một giếng hình bán nguyệt, tiếp đến là khu vườn tháp.
Trong chùa Xã Đàn hiện còn lưu giữ nhiều hiện vật quý hiếm. Dấu tích lâu đời nhất là cây cột đá dài hơn 1m nằm dưới giếng, có hình dáng giống cột đá ở chùa Một Cột - loại cột chỉ có ở thời Lý. Ngoài ra, chùa còn giữ được một số viên gạch vồ có từ thế kỷ XV - XVI; 5 tấm bia đá có niên đại từ thế kỷ XVI đến XIX; đạo sắc phong niên hiệu Cảnh Thịnh thứ 4 (1796) cùng hệ thống tượng được tạo tác mang phong cách nghệ thuật thế kỷ XVIII - XIX…
Bên cạnh những giá trị về lịch sử, văn hóa, chùa Xã Đàn còn là một di tích lịch sử cách mạng quan trọng. Trong những ngày đầu Toàn quốc kháng chiến chống thực dân Pháp, chùa là căn cứ hậu cần và là nơi Vệ quốc đoàn đóng quân, là trạm cứu thương trung chuyển thương binh từ nội thành ra ngoại thành.
Với những giá trị quý báu ấy, năm 1990, chùa Xã Đàn đã được xếp hạng Di tích quốc gia.
