Trải qua thăng trầm của lịch sử, kiến trúc và quy mô của chùa Long Đọi Sơn hiện nay đã biến đổi nhiều so với nguyên thuỷ của nó. Qua bài văn trên tấm bia đá Sùng Thiện Diên Linh còn lại ta có thể thấy được quy mô to lớn và kiến trúc của chùa Long Đọi Sơn lúc ban đầu: “Mặt chùa trông ra sông Kinh, gió lặng mặt sông như lụa biếc dải ra, lưng chùa quay về núi Điệp, mưa tan dáng núi như gấm xanh thêm sóng. Bên hữu khống chế bình nguyên trông tới luỹ Càn Hưng, bên tả men theo sông nhỏ quanh Hán Thuỷ để ra khơi … chuyển gỗ rừng hết sức thần kì, sai thợ mộc giỏi để trổ tài khéo léo. Lấy đá Mân làm đấu, dùng đá Vũ dựng hiên, xây 13 tầng chọc trời, 40 của hứng gió. Vách chạm rồng ổ, chùa treo chuông đồng. Tầng trên đặt hộp vàng Xá lị, toả tường quang cho đời thịnh sau này, đỉnh nóc xây tiên khách bưng mâm, hứng móc ngọc dưới bầu trời tạnh ráo. Tầng dưới chia 8 tướng khôi ngô đứng hộ vệ có thần nhân cầm kiếm, chính giữa đặt tượng Đà Bảo Như Lai… treo phướn vàng rực rỡ, cám lọng tía long lanh. Sân thềm có bậc, lang vũ hai bên. Rồi bên tả chùa dựng cung tứ giác, ngậm hai mân trấn đất, đội 8 tướng chầu trời….Bên hữu chùa dựng nhà khám nhọn vuông… tầng dưới xây đài lăng Hán, treo đỉnh khí Thú Sơn, buộc chày kình Bích Hải… xây tường bảo vệ, dựng hiên phô trương, bắc cầu mở rộng đường thông, trồng bách thành hàng hai dãy…”
Ngôi chùa đã bị phá huỷ và xây dựng lại nhiều lần nên không còn giữ được nhiều kiến trúc như ban đầu. Trước năm 1945 chùa được xây dựng theo kiểu nội công ngoại quốc với hơn 100 gian bao gồm một chùa chính với nhà bái đường, thiên hương và thượng điện. Hai bên có hai dãy hành làng thờ 18 vị La Hán. Từ ngõ chùa vào có hai dãy nhà đắp sự tích Thập điện, phía sau là
nhà tổ, nhà khách. Trước của chùa có một nhà bia trong đó có lưu giữ tấm bia đá Sùng Thiện Diên Linh. Ngôi chùa Đọi đã từ lâu được viện Viễn Đông Bác Cổ của Pháp liệt vào hạng các cổ tích danh thắng cần bảo vệ.
Sau quá trình bị tàn phá chùa được xây dựng lại, kiến trúc không gian chùa có bị xê dịch. Chính diện chùa vẫn quay về hướng nam. Hình ảnh đầu tiên mà ta nhìn thấy khi lên chùa là toà Tam Quan 5 gian mới được xây dựng năm 2004 mang phong cách triều Nguyễn với kiểu kiến trúc chồng diêm 8 mái hoàn toàn làm bằng gỗ lim. Tiếp sau là một bàn cờ người rộng 50m2 dùng làm nơi đấu cờ khi mở hội. Phía trên bàn cờ hai bên là hai cổng của Tam quan cũ, ở giữa trước đây là toà Tam quan nhưng sau này nó là nhà bia theo kiểu kiến trúc chồng diêm 8 mái. Phía trên nhà bia, leo qua 24 bậc đá tới sân chùa thoáng tĩnh đặt tượng đài Quan Âm. Hai bên sân chùa dọc theo hành lang là hai dãy nhà đồng tội đắp cảnh Thập điện Diêm Vương với thế giới của 10 cửa ngục như nhắc nhở con người ta luôn làm điều thiện, tránh điều ác để không bị rơi vào thế giới địa ngục khủng khiếp đó sau khi đã sang thế giới bên kia.
Lại mấy bậc đá nữa là dẫn chúng ta đến ngôi chùa chính. Đầu tiên là toà Tam Bảo gồm 7 gian bái đường và 3 gian thượng điện thờ các vị Đức Phật, đức Di Lặc,và đức Hộ Pháp theo một trật tự quy định của nhà Phật. Hệ thống vì kèo của ngôi chùa được làm theo kiểu chồng đấu giá chiêng, chân cột kê đá cổ bồng, cột được làm bằng gỗ lim và đá. Cửa chùa cũng được lắp hoàn toàn bằng gỗ lim.
Phía sau toà Tam bảo là hai dãy hành lang song song thờ tượng Thập bát La Hán với 18 tư thế và sắc thái khác nhau thể hiện những hoàn cảnh khác nhau của cuộc sống đời thường một cách sinh động. Sau chùa chính và trước cửa nhà hậu điện trước đây là vườn hoa nay là một hố sâu chừng 2m nơi đoàn khảo cổ đào thám sát để xác định móng tháp Sùng Thiện Diên Linh. Hậu điện nối thông với hành lang hai dãy nhà thờ các vị La Hán theo kiểu chữ U. Hậu điện thờ Đức Thánh Ông (vua Lý Nhân Tông), Quận công Lý Thường Kiệt
cùng ngồi chung trên ban Đức Thánh. Tiếp đó theo về hướng Đông là nơi thờ tượng Nam Hải bồ tát nghìn tay nghìn mắt, Quan Âm Tống Tử, Vương phi Ỷ Lan, Đức Át Nan, Đức Địa Tạng và một số bia hậu của những nhà cúng tiền của để xây dựng chùa.
Bên trái chùa song song với thượng điện là 5 gian nhà tổ nơi thờ 10 đời sư tổ, 1 thượng toạ, một sư cụ, một sư thầy đã viên tịch nơi đây. Nhà tổ được xây dựng có cột bằng đá vuông, có tường gạch và lợp ngói ta. Đồng thời nhà tổ cũng là khu giảng đường nơi các sư sãi học tập. Đối diện với nhà tổ là nhà khách là nơi tiếp khách thập phương về lễ chùa. Nhà tổ, nhà khách, thiền chủ, tăng phòng… là một quần thể kiến trúc theo hình chữ U. Phía Tây cùng nơi dốc thoải của núi là khu vườn tháp đặt lăng mộ của nhiều nhà sư trụ trì cũng như tăng ni nơi đây.
Bên phải chùa là một am phủ 3 gian thờ mẫu Liễu Hạnh (Mẫu nhân gian). Đây cũng là nơi thường xuyên tổ chức hầu bóng của nhân dân và khách thập phương về đây lễ Phật, cầu xin Mẫu phù hộ và che chở.
Với hệ thống thờ tự như vậy chùa Đọi Sơn mang đậm nét kiến trúc của chùa Việt Nam truyền thống là kiểu kiến trúc không gian tiền Phật hậu Thánh. Từ truyền thống đến hiện đại chùa Long Đọi Sơn đã bao đổi thay. Ngày nay mặc dù ngôi chùa không còn giữ nhiều nét kiến trúc cổ độc đáo nhưng đây vẫn là ngôi chùa lớn, là ngôi trường Bắc Kì Phật Giáo với cảnh sách thiên nhiên tươi đẹp, con người thân thiện, sinh hoạt văn hoá phong phú trong ngày lễ hội được tổ chức hàng năm vào 19,20,21 tháng 3 âm lịch hàng năm như một lời mời thân thiện và lôi cuốn khác thập phương về đây tham dự lễ hội cầu Phật phù hộ và thăm quan thắng cảnh sông núi nơi đây.