Diện tích khu đền khoảng 2.000m², có tường bao quanh, xây bằng đá ong. Theo lý thuyết phong thuỷ, quả đồi hình con rùa đang bơi về phía mặt trời mọc. Đền có từ xa xưa, được mở rộng qui mô vào năm Minh Mạng thứ 12 (1831). Kết cấu kiến trúc có hai dãy nhà 5 gian, thông gian giữa bằng “ống muống” tạo thành hình chữ “công” theo kiểu “nội công ngoại quốc”, các đầu đao cong mềm mại. Trước nhà tiền tế là hai dãy nhà tả mạc, hữu mạc.
Kế tiếp là gác trống, gác chuông 8 mái. Nghi môn trông về núi Tản Viên, phía trước có dinh thờ ngũ hổ. Cạnh dinh ngũ hổ là giếng Cô Tiên nước luôn trong. Trong đền có hai cây ngọc lan, cây vóc vàng, cho hương thơm dịu ngọt và đều nở hoa vào mùa hè thêm hương sắc ở nơi thờ thần. Cách sắp xếp bài vị và tượng thờ ở đây đã mô phỏng thiết chế cung đình xưa trong con mắt người đương thời. Toàn bộ công trình cho thấy trình độ kỹ thuật và nghệ thuật cao.