Chùa Thầy được xây dựng theo kiến trúc tiền Phật hậu Thánh, thể hiện sự hội nhập giữa tín ngưỡng bản địa với tín ngưỡng Phật giáo. Chùa Thầy có cấu trúc hoàn chỉnh theo bố cục “nội công ngoại quốc”, chồng dường kèm giá chiêng, bao gồm ba tòa song song với nhau là chùa Hạ, chùa Trung và chùa Thượng. Giữa chùa Hạ và chùa Trung có tòa Thiêu hương (ống muống) nối với nhau, không có ván cột, chỉ có lan can gỗ chạm chấn song con tiện ở hai bên, tạo thành thế hạ công thượng nhất. Xung quanh chùa có hai dãy hành lang dài nối gác chuông, gác trống thành một khung hình chữ nhật, tạo cho chùa một không gian thoáng bên trong nhưng lại kín đáo bên ngoài. 

Chùa Thượng tách biệt hẳn, ở vị trí cao nhất, biển đề Đại hùng Bảo điện, đồng thời là điện Thánh. Trong điện Thánh có cung Thánh với diện tích nhỏ, khép kín tạo nên vẻ huyền bí, linh thiêng. Ngoài ra, tại đây còn xây dựng những miếu thờ Thần để Phật hóa Thần càng thể hiện rõ nét hơn sự hội nhập tín ngưỡng. 

Nghệ thuật điêu khắc được thể hiện rõ nhất ở hệ thống tượng trong chùa. Các nghệ nhân đã phối hợp giữa hai chất liệu gỗ và đất để tạo hình cho những pho tượng. Ở chùa Thầy có hai hệ thống tượng chính: hệ thống tượng Phật và hệ thống tượng Thánh. 

Chùa Hạ là nhà tiền tế, bày các tượng Đức Ông, Thánh hiền. Tòa Thiêu hương để tượng Bát bộ Kim Cương. Hệ thống tượng Phật được đặt chủ yếu ở chùa Trung. Các pho tượng được bố trí trên hai trục chính: Trục ngang (thời gian) là bộ tượng Tam Thế (quá khứ, hiện tại, tương lai) và trục dọc (không gian) gồm tượng Tuyết Sơn - Di Lặc - Thích Ca sơ sinh. Mỗi nhóm tượng đều được các nghệ nhân chú trọng lột tả thần thái, cách tạo hình ứng với chức năng của tượng. 

Hai bên hành lang là hệ thống tượng 18 vị La Hán, hiện thân của những người tu hành xuất thân từ nhiều tầng lớp có tiểu sử, cá tính, lối tu khác nhau do vậy cũng là nhóm tượng sinh động, hiện thực, tạo nhiều cảm hứng. 

Tượng Từ Đạo Hạnh ở ba kiếp khác nhau (Tăng, Phật và Đế vương) được thờ trong điện Thánh. Bên trái thờ tượng toàn thân thiền sư bằng gỗ bạch đàn, đặt trên ngai, sau lưng ngai chạm trổ hình đầu rồng, lưỡi búa, sừng tê, ngọc báu... Chính giữa là tượng thiền sư khi đã thành Phật, đội mũ hoa sen, tay chắp trước ngực, khoác áo cà sa vóc vàng, đặt trên một bệ tượng bằng đá thời nhà Lý, có hình sư tử đội toà sen. Bên phải là tượng thiền sư sau khi đã hóa thân, đầu thai làm con trai của Sùng Hiền Hầu và trở thành vua Lý Thần Tông. Chùa Thầy còn thờ tượng cha mẹ thiền sư Từ Đạo Hạnh là ông Từ Vinh và bà Tăng Thị Loan cùng hai người bạn đồng đạo thân thiết của thiền sư là thiền sư Minh Không và thiền sư Giác Hải.