Khi vua Lý Công Uẩn đăng quang và trở lại thăm quê hương vào tháng 2 năm Canh Tuất (1010), tại đây, nhà vua đã dừng thuyền rồng để đi thăm các bậc kỳ lão, yết lăng Thái Hậu và đo vài mươi dặm đất làm “Sơn Lăng cấm địa”. Dân làng Đình Bảng đã xây dựng một ngôi nhà lớn làm nơi nghênh tiếp nhà vua. Khi vua Lý Công Uẩn băng hà (1028), Lý Thái Tông lên ngôi kế vị vua cha, Ông đã cho sửa sang lại ngôi nhà xưa và chọn làm nơi thờ tự vua cha và cũng từ đó đền trở thành nơi thờ tự các vị vua nhà Lý sau khi băng hà.

Trải qua các triều đại Lý, Trần, Lê, đền Đô đều được quan tâm tu sửa và mở rộng, đặc biệt, đền được mở rộng nhất vào thế kỷ 17 (1602) với quy mô của 21 hạng mục công trình được sắp xếp theo kiểu “Nội công ngoại quốc”, xung quanh có tường thành vây bọc. Kiến trúc của đền có sự kế thừa phong cách cung đình và phong cách dân gian, tổng thể kiến trúc được kết hợp hài hoà, chạm khắc tinh xảo, thể hiện một công trình kiến trúc bề thế vững chắc nhưng không cứng nhắc trong khung cảnh thiên nhiên.

Năm 1952, đền Đô bị giặc Pháp chiếm và phá huỷ hoàn toàn. Từ năm 1989, đền Đô đã từng bước được khôi phục, tìm lại dáng vẻ xưa của đợt trùng tu, mở rộng đền năm 1602 với các hạng mục công trình như: Nhà Hậu cung (80m²), nhà chuyền Bồng (80m²), nhà Kiệu (130m²), nhà để Ngựa (130m²), Thuỷ đình, Phương đình...

Đền Đô đã được Nhà nước công nhận di tích lịch sử văn hoá cấp quốc gia vào ngày 25/01/1991.