Tấm bia “Trùng tu Thiên Thị từ ký” do tiến sĩ Lê Đình Diên soạn năm Tự Đức thứ 8 (1855) đặt ở đây đã ghi lại lịch sử của ngôi đền cũ. Theo đó, đền Chợ Tiên ở huyện Thọ Xương là nơi thờ Quốc sư Minh Không, người đã có công chữa bệnh cho vua Lý Thần Tông. Phía bên phải đền ngày xưa có tháp Bảo Thiên, tương truyền do quốc sư dựng lên. Tháp ấy là một trong bốn vật báu của nước Việt Nam. Năm Nhâm Thân (1932), có vị thiền sư là Nguyễn Văn Định, hiệu là Quang Huy, trụ trì ở chùa đã bài trí thờ thêm tượng Phật nên đền thờ gọi là chùa từ đó.

Cùng với những biến động của lịch sử, thời gian trôi qua làm cho ngôi đền không còn giữ được dáng vẻ của buổi khởi nguyên và đã được nhiều thế hệ tiền bối bảo quản, giữ gìn. Hiện còn thấy dấu vết của những lần sửa chữa lớn. Đầu tiên là vào mùa Xuân năm Giáp Dần niên hiệu Dương Đức thứ 3 (1674) thời hậu Lê mà các di vật tiêu biểu còn để lại là hệ thống tượng chân dung tạc bằng đá rất đep gồm tượng Phụ Mẫu Quốc sư Minh Không, tượng Thiền sư Từ Đạo Hạnh và Thiền sư Giác Hải. Đây là những tác phẩm điêu khắc quý giá không chỉ ở trong chùa mà còn là những tác phẩm tiêu biểu cho loại tượng này trong kho tàng nghệ thuật điêu khắc Việt Nam.

Lần trùng tu lớn tiếp theo vào năm 1855. Ở lần này đền được xoay lại hướng Đông như cũ và mở rộng quy mô kiến trúc, xây thêm tam quan phía trước và sơn thếp lại tượng thờ trong đền, tạc lại tượng Quốc sư Minh Không. Văn bia trong “Trùng tu Thiên Thị ký” cho biết thêm: “Quan huyện họ Phan đến trị dân đã 6 năm. Dân xin quan giúp đỡ về việc sửa đền. Quan hết lòng khuyến khích, lại làm xoay đền về hướng Đông như trước để nhân cơ sở cũ mở rộng thêm ra: Đền trong có 5 gian dọc, đền ngoài có 5 gian ngang, hai bên tả hữu đều 3 gian, đằng trước mở cửa tam quan. Lấy hòn đá đục hình giao long uốn khúc ở trên đỉnh tháp cũ đặt trước nóc tam quan. Vì lâu năm, màu vàng sắc biếc của tượng thần bị phai mờ, nay đem thếp vàng cho đẹp hơn trước”. Để ghi nhớ công lao của gia đình quan huyện Thọ Xương họ Phan, nhân dân đã tạc tượng họ và thờ trong đền.

Sau này, cùng với thời gian, các hạng mục công trình tiếp tục bị mối mọt, hư hỏng, xuống cấp nghiêm trọng cần được thay thế. Từ năm 1992 được sự đóng góp của các Phật tử và nhân dân, chùa dần dần được sửa chữa các hạng mục như nhà Tàng Kinh, Điện Mẫu, Tổ Đường... Ngày 5/6/2000 khởi công trùng tu Đại Hùng Bảo Điện, những đặc điểm kiến trúc, trang trí kiến trúc... vốn có của chùa đều được giữ nguyên. Đặc biệt phần trang trí trên kiến trúc được chú ý, vẫn là các đề tài “tứ linh”, “tứ quý” đều được chạm khắc rất tỷ mỉ, công phu bởi những người thợ có tay nghề cao trong làng chạm khắc nổi tiếng vùng Nam Định. Ngày 13/11/2000, Đại Hùng Bảo Điện chùa Lý Triều Quốc sư đã được khánh thành, đây là một trong những công trình được gắn biển “Công trình chào mừng kỷ niệm 990 năm Thăng Long – Hà Nội”.

Qua nhiều năm tháng đầy biến động của Thăng Long - Hà Nội, chùa Lý Triều Quốc sư vẫn bảo tồn được di vật có giá trị lịch sử và nghệ thuật. Trong chùa có đầy đủ hệ thống tượng Phật, đáng quý là có nhiều pho tượng mang phong cách tạo tác của thời Lê. Nhóm tượng Long nữ thiện tài được tạc bằng đá, trên cột cao 3m với cách trang trí hình cánh sen, hoa cúc dây, hoa thị... vòng quanh thân cột. Đây là nhóm tượng có cấu trúc tròn, cân đối, mang đặc điểm nghệ thuật thế kỷ XVIII.

Trong chùa còn có tượng thiền sư Giác Hải và thiền sư Từ Đạo Hạnh đang thiền định suy tư, tượng Từ Vinh, tượng Tăng Thị Loan (là mẹ của thiền sư Từ Đạo Hạnh), người quắc thước, người hiền từ, nét mặt vô cùng sống động. Đây là những tượng mang phong cách nghệ thuật điêu khắc thế kỷ XVII - XVIII. Các nhân vật kể trên đều sống ở thời Lý. Chùa Lý Triều Quốc sư còn giữ được nhiều nguồn tư liệu và hiện vật phong phú về lịch sử thời Lý – Trần. Thời gian gần đây, khi đào đến độ sâu một mét ở chân móng tòa chính điện, đã phát hiện được khá nhiều những viên gạch vồ lớn, màu đen giống với loại gạch vồ thời Lê ở một số di tích khác có niên đại thế kỷ XVII.

Vừa qua, hướng tới 1000 năm Thăng Long – Hà Nội, quận Hoàn Kiếm đã khởi công trùng tu Phương đình - Gác chuông chùa Lý Triều Quốc sư. Dự kiến, tháng 10/2010, việc trùng tu sẽ hoàn tất để chào mừng những ngày Đại lễ.