Ban đầu, đây chỉ là một ngôi miếu nhỏ. Trải qua bể dâu, ngôi miếu rơi vào cảnh hoang tàn. Năm 1632, bà Ngô Thị Ngọc Diệu (Nguyễn Thị Ngọc Dong) - một phi tần của chúa Trịnh Tráng, người làng Nam Nguyễn trong tổng Mía, đứng ra kêu gọi nhân dân góp công sức, tiền của để tu bổ thành chùa Mía với quy mô như hiện nay. Để tưởng nhớ công ơn của bà, người dân tôn bà là Bà chúa Mía, đồng thời tạc tượng và đưa vào chùa phối thờ cùng hệ thống thờ Phật.
4 thế kỷ đã trôi qua, chùa Mía nay vẫn giữ được quy mô và kiến trúc truyền thống, gồm Tam quan, chính điện, thượng điện, nhà Tổ. Cùng với đó, hệ thống hành lang đan xen tạo thành hình chữ Mục. Tam quan chùa có quy mô vừa phải. Phía trên là gác chuông 3 gian dựng theo kiểu chồng diêm 2 tầng 8 mái và được chạm trổ cầu kỳ. Giữa gác treo một quả chuông đồng được đúc năm 1745, niên hiệu Cảnh Hưng thứ 6 (đời Lê) và một chiếc khánh đồng đúc năm Thiệu Trị thứ 6 (1846) đời Nguyễn. Gần đó là tòa bảo tháp Cửu phẩm Liên Hoa cao 13m - nơi thờ vọng xá lợi đức Phật.
Đi qua một khoảng sân rộng, du khách tới tiền đường, bên phải là tấm bia cổ có kích thước lớn (1,6 x 1,2m) đặt trên lưng rùa. Tấm bia có niên đại năm 1634, được chạm khắc hoa văn tinh xảo. Bên trái tiền đường là nơi thờ công chúa Liễu Hạnh. Phía sau là chính điện và thượng điện. Hai bên là hành lang tả - hữu, nơi đặt 18 pho tượng La Hán bằng đất. Những pho tượng này nằm trong số 287 pho tượng quý được làm từ nhiều chất liệu khác nhau, trong đó có 174 pho tượng đất, 6 pho tượng đồng.... Nhờ được chạm khắc, tạo tác từ nhiều chất liệu với số lượng lớn, đề tài và hình thức thể hiện đa dạng, mang tính đại diện cho hệ thống tượng Phật trong các chùa ở Việt Nam nên tháng 5-2006, chùa Mía đã được Trung tâm Sách kỷ lục Việt Nam công nhận là ngôi chùa lưu giữ nhiều tượng nghệ thuật nhất Việt Nam.
Hệ thống tượng Phật cùng quần thể kiến trúc độc đáo đã làm nên những giá trị nghệ thuật, văn hóa - lịch sử đặc biệt của chùa Mía. Bởi thế, chùa Mía đã được xếp hạng là Di tích kiến trúc nghệ thuật quốc gia năm 1964.