Trước đây chùa có đủ 100 gian, được xây theo kiểu nội công ngoại quốc. Chùa kiểu Nội công ngoại quốc là kiểu chùa phổ biến xưa với kiến trúc hai hành lang dài nối liền nhà tiền đường ở phía trước với nhà hậu đường (có thể là nhà tổ hay nhà tăng), ở phía sau làm thành một khung hình chữ nhật bao quanh lấy nhà thiêu hương, nhà thượng điện hay các công trình kiến trúc khác ở giữa. Bố cục mặt bằng chùa có dạng phía trong hình chữ Công (工), còn phía ngoài có khung bao quanh như chữ khẩu (囗) hay như ở chữ Quốc (国).

Chùa tương truyền được xây dựng từ thời vua Lý Anh Tông (trị vì từ 1138 đến 1175). Chùa thờ Thiền sư Từ Đạo Hạnh. Theo truyền thuyết, nhà sư này đã đầu thai làm con trai của nhà quý tộc Sùng Hiền hầu, em vua Lý Nhân Tông. Vì vua Lý Nhân Tông (trị vì từ 1072 đến 1127) không có con, nên con trai của ông Sùng Hiền hầu được nối ngôi, tức vua Lý Thần Tông (trị vì từ 1128 đến 1138). Do sự tích ấy mà con của Lý Thần Tông là Lý Anh Tông đã cho xây cất chùa Chiêu Thiền để thờ vua cha và tiền thân của Người là thiền sư Từ Đạo Hạnh.

Chùa Láng có vẻ đẹp bề thế bởi có quần thể kiến trúc hài hòa, cân xứng với không gian. Các công trình kiến trúc trong chùa hòa hợp với các lối đi, sân vườn và những hàng cây cổ thụ rợp bóng tạo nên một không gian tĩnh mịch, cổ kính. Vì thế, chùa Láng đã từng được coi là đệ nhất tùng lâm (rừng thông đẹp nhất) ở phía Tây kinh thành Thăng Long xưa.

Cổng chùa bao gồm bốn cột vuông với ba mái cong không trùm lên cột mà gắn vào sườn cột, mái giữa cao hơn hai mái bên, hơi giống kiến trúc cổng ở cung vua phủ chúa ngày xưa. Qua cổng là một sân gạch Bát Tràng, giữa sân chùa là một kiến trúc độc đáo - nhà Bát giác, phía trước có sập đá là nơi đặt kiệu thánh vào đêm trước ngày khai hội. Cổng tam quan dẫn vào sân chùa có đôi câu đối viết theo lối Khải thư rất đẹp ghép bằng những mảnh sứ màu xanh làm tăng thêm vẻ trang nghiêm cổ kính và hoành tráng của ngôi chùa. Qua nhà Bát giác mới đến các công trình chính trong chùa: bái đường, nhà thiêu hương, thượng điện, các dãy hành lang, nhà tổ và tăng phòng... Động thập điện Diêm Vương ở hai dãy hành lang khá đẹp, miêu tả những hình phạt ở các tầng địa ngục.

Trong chùa có 198 pho tượng lớn nhỏ, tiêu biểu là tượng Lý Thần Tông Tông (1128 - 1138) ngồi trên ngai vàng và pho tượng Từ Đạo Hạnh đan bằng mây phủ sơn bên ngoài.

Chùa Láng còn có 39 hoành phi, 31 câu đối, 15 tấm bia đá, lưu giữ 12 đạo sắc phong của các vua triều Lê, Tây Sơn và Nguyễn. Tấm bia tạo dựng năm 1656 cao 1,4 mét, rộng 0,8 mét có hoa văn rồng chầu mặt nguyệt, hai bên diềm có phượng chầu hoa sen và hai tiên nữ với đôi cánh dướn bay lên trời xanh. Trước đây, chùa còn có cuốn kinh bằng đồng lá (Bát diệp đồng thư) của vua Lý thường dùng để tụng niệm, nay đã bị thất lạc.