Đình được dựng trên khu đất rộng rìa làng, quay hướng nam chếch đông. Cổng đình gồm 2 trụ biểu, phía trên đắp tứ phượng cách điệu hoa dành, thân trụ đắp các đôi câu đối ca ngợi văn mạch quê hương. Từ trụ biểu chính có khoảng tường lửng nối ra các trụ biểu nhỏ, ở giữa bức tường lửng đắp ngựa chiến và voi chầu.
Đại bái là một ngôi nhà ngang 5 gian tường hồi bít đốc, dựng trên nền tam cấp, cao hơn mặt sân 0,7m. Trên bờ nóc là một con rồng lá Makara, ở giữa đắp lưỡng long chầu nguyệt. Vào bên trong, các bộ vì được làm theo kiểu “giá chiêng” kết hợp với “chồng rường” trên 4 hàng chân cột. Căn cứ vào những hàng chữ Hán ghi trên thượng lương, câu đầu, thân cột cho biết niên đại khởi dựng của ngôi đình vào triều Lê, niên hiệu Vĩnh Trị thứ 2 (1677), đến niên hiệu Vĩnh Khánh thứ 4 (1732) được trùng tu. Dấu vết của những lần trùng tu này còn được thể hiện ở bộ vì gian giữa, được chạm khắc các đề tài rồng phượng, long mã và hổ phù. Chính giữa Đại bái treo bức hoành phi đề 4 chữ Hán: “Hộ quốc tý dân”. Phía dưới kê hương án lớn có niên đại tạo tác vào thế kỷ XVIII. Hai bên bài trí bộ bát bửu và biển thước.
Hậu cung là toà nhà được khởi dựng muộn hơn, gồm 1 gian lớn và 2 gian nhỏ, xây kiểu tường hồi bít đốc. Các bộ vì kèo làm theo kiểu “giá chiêng kẻ suốt”. Gian giữa Hậu cung treo 2 bức hoành phi: Thánh cung vạn tuế và Thượng đẳng linh từ. Phần thâm nghiêm nhất của Hậu cung chính là gian gác lửng bưng kín ba mặt, bên trong đặt ngai thờ và bài vị Thành hoàng. Hai bên là hai ngại nhỏ hơn thờ Tả cung phi và Hữu hoàng hậu. Phía ngoài còn đặt một sập thờ chân quỳ dạ cá mang phong cách nghệ thuật điêu khắc thời Lê.
Theo bản ngọc phả đình An Trai thì di tích này là nơi thờ Phan Tây Nhạc, ngài vốn là một tướng thời Hùng Vương 18. Một lần, ngài có ghé qua đây, thấy cảnh non nước hữu tình, nhân khang vật thịnh nên đã cho lập một hành cung về nghỉ dưỡng và dạy dân cày cấy, chăn tằm dệt lụa, khuyến khích việc học hành... Sau khi ngài hoá, nhân dân ba làng An Trai, Hoè Thị, Thị Cấm đã lập đền miếu phụng thờ.
Tương truyền, ngài sinh ngày 12 tháng hai và hoá ngày 1 tháng chạp âm lịch. Hàng năm, cứ theo ngày sinh ngày hoá của ngài, nhân dân An Trai lại tổ chức lễ hội và diễn xướng các trò chơi dân gian để tưởng nhớ tới công đức vị Thành hoàng làng.
Đình An Trai đã được Bộ Văn hoá và Thông tin xếp hạng di tích kiến trúc nghệ thuật năm 1990.
Theo Hà Nội Danh thắng và Di tích tập 01