Đền Kim Liên được xây dựng dưới thời vua Lý Thái Tổ ngay khi vị hoàng đế này rời đô tới Thăng Long, với mục đích để bảo vệ kinh thành mới ở hướng Nam. Tương truyền thần Cao Sơn là con trai Lạc Long Quân và được thờ là vị thần thứ hai trong đền núi Tản Viên. Thần đã có công giúp Sơn Tinh chiến thắng Thủy Tinh và sau này giúp vua Lê Tương Dực dẹp loạn, khôi phục nhà Lê. Theo tấm bia đá đặc biệt cao 2,34m, rộng 1,57m, dầy 0,22m hiện còn lưu giữ tại đền (đây cũng là di vật quý giá nhất ở đền này) có bài tựa "Cao Sơn đại vương thần từ bi minh", văn bia do sử thần Lê Trung soạn năm 1510, nói về công lao của thần Cao Sơn. Nội dung cho biết: Khi vua Lê Tương Dực (1510 - 1516) cầm quân dẹp loạn, khôi phục cơ nghiệp của vua Lê Thái Tổ, có ba vị đại thần là Nguyễn Bá Lân, Nguyễn Hoàng Dụ và Nguyễn Văn Lữ cùng đem quân đi chinh phạt. Đến địa phận huyện Phụng Hoá (nay là Nho Quan, tỉnh Ninh Bình) thì thấy cảnh núi rừng rậm rạp có ngôi đền cổ ghi bốn chữ "Cao Sơn đại vương". Rất lấy làm lạ, vua quan bèn khẩn cầu thần phù trợ. Quả nhiên sau mười ngày đã thành công. Vì thế, vua Lê Tương Dực cho xây dựng đền thờ thần Cao Sơn được lập ở Phụng Hóa. Sau nhớ ơn thần đã ngầm giúp dẹp loạn ở Đông Đô, nên năm 1509, vua cho xây dựng lại đền thờ to đẹp hơn ở phường Kim Hoa gần Thăng Long thời bấy giờ.
Đền Kim Liên xây trên gò đất cao, quay mặt về hướng nam, trông ra một hồ rộng có tên xưa là hồ Đồng Lầm. Kim Liên, tên cũ là làng Kim Hoa, gọi nôm là Đồng Lầm, vốn là một làng đẹp, có nghề nhuộm vải, có phong tục lễ nghi phong phú (đầm này nay không còn do bị lấp đi để làm đường vành đai 1). Đây là một trong 23 phường thôn hợp thành tổng Tả Nghiêm, huyện Thọ Xương cũ. Đến khoảng đầu đời Vua Thiệu Trị - Nguyễn Phúc Miên Tông tức Nguyễn Hiến Tổ (1841 - 1847) vì phải kiêng húy tên của bà mẹ vua Thiệu Trị là Hồ Thị Hoa nên đổi là Kim Liên sau là tổng Kim Liên.
Kiến trúc của đình bao gồm hai phần tương đối rõ: phần phía trước gò có một cổng trụ biểu, hai dãy giải vũ hai bên sân gạch rộng và phần kiến trúc chính của di tích nằm trên gò đất cao. Đi hết khoảng sân trên thì qua chín bậc gạch cao được xây bằng những viên gạch vồ có kích thước lớn thời Lê Trung Hưng nối hai bộ phận kiến trúc trên. Ngôi đền được xây dựng trên một gò đất cao cửa ô Kim Hoa (còn gọi là ô Đồng Lầm). Từ ngoài vào là cổng có trụ biểu, đỉnh trụ đều có đặt con nghê bằng gốm quay mặt vào nhau, phía dưới là những ô lồng đèn, trong đó đắp nổi các hình long, ly, qui, phượng. Phía sau cổng là sân gạch rộng, có hai dãy giải vũ đều có ba gian. Tam quan và đền nằm trên gò. Chín bậc thềm được xây bằng gạch vồ lớn thời Lê, nối kết bộ phận bên ngoài với phần chính trên gò. Hai bên bậc thềm, ở sát sân gạch đặt hai sấu đá hướng ra cổng.
Đền chính gồm nghi môn, đại bái và hậu cung. Nghi môn là một nếp nhà ba gian, xây kiểu tường hồi bít đốc. Bốn bộ vì đỡ mái được làm theo kiểu chồng rường giá chiêng, cột trốn. Trên các bộ phận kiến trúc các họa tiết trang trí được thể hiện sinh động, công phu mang phong cách nghệ thuật thời Nguyễn.
Do chiến tranh, lịch sử, kiến trúc đền Kim Liên xưa chỉ còn lại một toà hậu cung, là một dãy nhà dọc ba gian xây gạch trần, mái lợp ngói ta. Trong nhà xây vòm cuốn, gian ngoài cùng bó bệ gạch cao để đặt hương án chạm gỗ sơn son thếp vàng. Phần thân của hương án được bố trí đậm đặc các hình trang trí trong những ô chữ nhật, các đồ án hoa văn được thể hiện bằng kỹ thuật chạm thủng, chạm nổi, đề tài phong phú bao gồm: hổ phù, long mã tranh châu, tứ linh, tứ quý, bát bửu… Gian thứ hai xây bệ gạch cao để đặt long ngai và các đồ tế khí. Gian cuối cùng là nơi thờ Cao Sơn Đại Vương và hai nữ thần phối hưởng (Tôn nữ Động Hồ Trưng Vương (công chúa con gái vua Lê) và Huệ Minh công chúa).
Đền Kim Liên hiện còn giữ được 39 đạo sắc phong của các triều vua cho thần Cao Sơn, trong đó có 26 đạo thời Lê Trung Hưng và 13 đạo thời Nguyễn, sớm nhất là sắc có niên hiệu Vĩnh Tộ thứ hai (1620) thời vua Lê Thần Tông. Di tích đình, đền Kim Liên từ lâu đã trở thành một hiện tượng đặc biệt của Hà Nội, cùng với thần Bạch Mã ở đền Bạch Mã, thần Trấn Vũ ở đền Quan Thánh, thần Linh Lang ở đền Thủ Lệ hợp thành một tập hợp di tích độc đáo mà kỳ vĩ chỉ riêng thấy ở Hà Nội , đó là “Thăng Long tứ trấn”.
Để phục hồi giá trị văn hóa nghệ thuật xứng tầm với vị trí của một tứ trấn, thành phố đã nhiều lần cho tu bổ, tôn tạo lại di tích này. Năm 2000, nhân 990 năm Thăng Long- Hà Nội, nhà đại bái, hậu cung đã được tu bổ theo kết cấu chữ đinh. Nhà đại bái gồm năm gian mới với kiểu dáng kiến trúc truyền thống. Năm 2006, nhà phương đình, sơn thiếp phần khu nhà trong nội tự đại báo và hậu cung được tiến hành tôn tạo. Năm 2009, thành phố tiếp tục có dự án tu bổ và làm lại nhà tả hưu, nghi môn, bình phong, hồ bán nguyệt, giếng đình, sân vườn, đường dạo, hệ thống cây xanh và hạ tầng kỹ thuật của di tích. Đâylà công trình kỷ niệm 1000 năm Thăng Long – Hà Nội của thành phố.
Theo KTĐT