Chùa được xây dựng từ thời Tiền Lý (Lý Nam Đế, 541 - 547), ban đầu nằm tại thôn Y Hoa, gần bờ sông Hồng, có tên là chùa Khai Quốc hay An Trì, An Quốc. Vào đời Lê Trung Hưng (năm 1615), do bãi sông bị lở nên chùa được chuyển vào gò Kim Ngư (Cá Vàng) như hiện nay và đổi tên thành Trấn Quốc. Nơi đây vốn là nền đất cũ của cung Thúy Hoa (thời nhà Lý) - nơi vua chúa thường đến vãn cảnh, nghỉ ngơi sau giờ thiết triều.

Nằm bên hồ Tây mênh mang sóng nước, chùa Trấn Quốc như một “viên ngọc” với nhiều điểm đặc biệt. Đầu tiên là cổng vào được thiết kế vô cùng độc đáo. Du khách khi vừa đặt chân đến, nhìn từ xa dễ có cảm giác cổng chùa bị lệch sang một bên, nhưng khi đến gần thì thấy cổng chùa vẫn ở vị trí trung tâm của lối vào, có dáng cong mềm mại. Theo con đường duy nhất lát gạch đỏ với hàng cau vua thẳng tắp hai bên, du khách sẽ đến với những công trình kiến trúc độc đáo bên trong.

Mặc dù trải qua nhiều lần tu bổ, tôn tạo, nhưng chùa Trấn Quốc vẫn giữ được lối kiến trúc theo nguyên tắc khắt khe của Phật giáo. Kết cấu chùa gồm nhiều lớp nhà với ba ngôi chính là tiền đường, nhà thiêu hương và thượng điện nối thành hình chữ Công. Tiền đường hướng về phía Tây, hai bên là nhà thiêu hương và thượng điện, sau đó là gác chuông. Bên phải là nhà tổ và bên trái là nhà bia. Trong chùa hiện còn lưu giữ 14 tấm bia khắc có giá trị lịch sử ghi lại quá trình hình thành, trùng tu, sửa chữa ngôi chùa.

Điểm nổi bật trong quần thể kiến trúc chùa Trấn Quốc phải kể tới khu mộ tháp cổ, có từ đời Vĩnh Hựu và Cảnh Hưng (thế kỷ XVIII). Nơi đây còn có tòa tháp Lục độ đài sen được dựng vào năm 1998. Bảo tháp này gồm 11 tầng, cao 15m. Mỗi tầng tháp có 6 ô cửa hình vòm, trong mỗi ô đặt một pho tượng Phật A Di Đà bằng đá quý. Trên đỉnh tháp có tòa Cửu phẩm liên hoa cũng được làm từ đá quý. 

Điều đặc biệt là bảo tháp này dựng đối xứng với cây bồ đề được chiết từ chính gốc cây nơi Đức Phật Thích Ca Mâu Ni thành đạo cách đây hơn 25 thế kỷ, do Tổng thống Ấn Độ Rajendra Prasad mang sang tặng khi đến thăm Hà Nội năm 1959. Cây bồ đề nay đã xòe tán phủ khắp sân chùa và là biểu tượng mang ý nghĩa linh thiêng của Phật giáo.

Với lịch sử tồn tại hơn 15 thế kỷ, Trấn Quốc là ngôi cổ tự lâu đời nhất còn tồn tại từ Thăng Long xưa đến Hà Nội nay. Chùa đã được công nhận là Di tích lịch sử văn hóa quốc gia năm 1989. Vừa qua, chùa Trấn Quốc được trang du lịch nổi tiếng Thrillist bầu chọn là một trong những ngôi chùa có cảnh quan và kiến trúc đẹp nhất thế giới.