Không gian chùa là là cả một khu kiến trúc cổ to lớn, bề thế với 13 tòa rộng gồm 121 gian nối tiếp nhau soi bóng xuống mặt hồ lung linh huyền diệu. Hai bên đường kiệu lát gạch, kề liền hai dãy hành lang, mỗi dãy gồm 40 gian bề thế.

Tương truyền, nguyên thủy chùa do Thiền sư Dương Không Lộ xây dựng ở ven sông Hồng từ năm 1061 dưới thời Lý Thánh Tông, tại hương Giao Thủy, phủ Hà Thanh (nay thuộc huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định).

Ban đầu, chùa có tên là Nghiêm Quang tự, đến năm 1167 mới đổi thành Thần Quang tự. Vì Giao Thủy có tên Nôm là Keo, nên ngôi chùa này cũng được gọi là chùa Keo.

Sau gần 500 năm tồn tại, năm 1611, nước sông Hồng lên to, làm ngập làng Giao Thủy, nơi có chùa. Một bộ phận dân cư dời đi nơi khác, lập thành làng Hành Thiện, xây dựng nên ngôi chùa Keo mới, thường được gọi là chùa Keo Dưới (Keo Hạ) hay chùa Keo Hành Thiện (nay ở xã Xuân Hồng, huyện Xuân Trường, Nam Định).

Một bộ phận dân cư dời sang tả ngạn sông Hồng, lập làng Dũng Nhuệ trên đất Thái Bình, về sau cũng dựng lên một ngôi chùa, gọi là chùa Keo Trên (Keo Thượng).

Ban đầu, chùa được xây dựng tạm trên nền đất của làng. Năm Hoằng Định thứ 13 (1612), chùa được tu sửa hoàn chỉnh và có dáng dấp như ngày nay. Trong 400 năm tiếp theo, chùa nhiều lần được tu bổ lớn như vào các năm Cảnh Trị thứ 9 (1671), Chính Hoà thứ 25 (1704), Thành Thái thứ 7 (1896) và đặc biệt từ năm 1962 chùa Keo đã được nhà nước công nhận là tích lịch sử văn hoá, nên đã được tôn tạo nhiều lần.

Được khởi công xây dựng trước, kiến trúc chùa Keo Hành Thiện có ảnh hưởng rất lớn đến chùa Keo ở Thái Bình. Phía trước chùa có hồ bán nguyệt nước trong xanh, soi bóng tháp chuông mái cong uy nghiêm, thơ mộng.

Tuy không có gác chuông chồng diêm 3 tầng 12 mái đồ sộ như chùa Keo Thái Bình, gác chuông chùa Keo Hành Thiện cũng là một sự kết hợp hài hòa của kiến trúc tam quan nội 5 gian, làm theo kiểu chồng diêm, cao 7m50.

Dáng vẻ thanh thoát với mái cong, bờ cánh kẻ bảy uốn lượn. Phía dưới là 8 đại trụ và 16 cột quân được đặt trên đá tảng chạm khắc hoa văn cánh hoa sen nở.

Ngoài vẻ đẹp về kiến trúc, trong chùa còn lưu giữ, bảo tồn những di vật cổ có giá trị của thế kỷ 17 thời Hậu Lê. Đó là những án thư, sập thờ, tượng pháp nhiều chuông khánh, văn bia cổ, hoàng văn phi đối và sách chữ Hán nói về chùa Keo.

Sau chùa là đền Thánh thờ Đức Thánh Tổ Đại pháp thiền sư Không Lộ, người chữa khỏi bệnh cho vua Lý Nhân Tông.