Đền Bạch Mã có giá trị rất lớn về mặt tâm linh,nên được nhiều triều đại phong kiến quan tâm trùng tu tôn tạo. Hiện nay có đôi câu đối ca tụng vẫn còn được lưu giữ trong đền:
“Phù quốc tộ ư La Thành, vạn cổ uy thanh truyền mã tích Ngật tôn từ vu giang tứ, thiên thu vượng khí trấn Long Biên”
Tạm dịch nghĩa:
“Giúp nước thịnh ở La Thành, muôn thuở uy danh truyền dấu ngựa Bên sông nước, nghìn năm vượng khí giữ Long Biên”.
Kiến trúc đền Bạch Mã ngày nay mang dấu ấn đặc trưng của phong cách kiến trúc thế kỷ 19, thời nhà Nguyễn. Đền được xây theo hình chữ “tam”, bên ngoài là phương đình tám mái, có tam bảo cùng nhiều hoành phi, văn bia nói về thần Long Đỗ và Bạch Mã. Tổng cộng đền gồm có năm cung: Nghi môn năm cửa, phương đình, tiền tế, trung tế và hậu cung [39].
Điều đặc biệt của công trình này chính là lối kiến trúc “vòm cua” (mái vòm hình mai con cua). “Vòm cua” thứ nhất liên kết giữa phương đình và đại bái của ngôi đền. Nối tiếp theo, “vòm cua” thứ hai lại nối đại bái với nhà thiêu hương. Kiến trúc “vòm cua” này, ngoài hình thù độc đáo, còn có tác dụng khép kín công trình, liên kết lại dưới một hình thức đặc biệt che đỡ toàn bộ bên trên, tạo ra sự rộng rãi cho tổng thể kiến trúc[39]. Ngôi đền trở thành một công trình nghệ thuật độc đáo, rất hiếm thấy điểm tương tự ở các kiến trúc cùng tín ngưỡng, cùng niên đại.
Đền hiện còn lưu giữ nhiều văn bia, ghi lại các sự tích của đền, các nghi lễ cúng thần, các lần trùng tu tôn tạo. Còn có nhiều hiện vật có giá trị khác như cỗ Long ngai có hàng chữ ghi tên vị thần được thờ chính “Long Đỗ Thần quân quảng lợi Bạch mã Đại Vương”, bức hoành phi “Đông trấn linh từ”, đồ thờ gồm các vũ khí thời cổ như xích, đao, thương, câu liêm... được sơn son thếp vàng, chạm khắc tinh xảo.
Trong đền, cùng với các lư hương đồng, bình đồng, còn khoảng 50 cột gỗ đinh vững chắc, chạm khắc các hình long, ly, quy, phượng sơn son thếp vàng. Hiện đền vẫn giữ nguyên kiến trúc nhưng được sắp xếp lại theo cấu trúc Tam nguyên đồng hóa, có thêm điện thờ Phật và Mẫu trong khuôn viên.
Đất kinh kỳ trải bao triều đại phong kiến, thành Thăng Long cũng không thể tránh khỏi nạn binh đao khói lửa, nhưng điều kỳ lạ, dù chiến tranh, loạn lạc đến đâu, ngôi đền vẫn không hề suy xuyển.