Theo tư liệu lịch sử, năm Tân Sửu, niên hiệu Chương Thánh Gia Khánh thứ 3 (1061) đời Lý Thánh Tông dựng chùa Nghiêm Quang trên đất Giao Thuỷ (làng Keo/ấp Keo), thuộc Nam Định ngày nay. Tháng 3 năm Đinh Hợi, niên hiệu Chính Long Bảo Ứng thứ 5 (1167) đời Lý Anh Tông, chùa này được đổi tên thành chùa Thần Quang. Năm Tân Hợi (1611), một trận lụt lớn làm chùa bị trôi dạt, dân ấp Keo phải di dời đi 2 nơi: một bộ phận định cư ở phía Đông Nam - hữu ngạn sông Hồng (nay thuộc làng Hành Thiện, xã Xuân Hồng, huyện Xuân Trường, Nam Định); một bộ định cư ở phía Đông Bắc - tả ngạn sông Hồng (nay thuộc thôn Hành Dũng Nghĩa, xã Duy Nhất, huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình). Như vậy, sau năm 1611, làng Keo (gốc ở Nam Định) được chia thành hai làng. Sau đó, hai làng dựng lại chùa, tên Nôm đều gọi là “chùa Keo”. Để phân biệt, dân gian thường gọi chùa Keo ở Thái Bình là Keo Thái Bình hoặc Keo trên; chùa Keo ở Nam Định là Keo Nam Định hoặc Keo dưới. Chùa Keo Thái Bình được dựng năm 1632, tên chữ là Thần Quang tự.
Ngoài chức năng thờ Phật, chùa Keo Thái Bình cũng như chùa Keo Nam Định còn là nơi thờ Thánh Dương Không Lộ và những người có có công lớn trong việc dựng chùa (Trịnh Thị Ngọc Lễ, Hoàng Nhân Dũng, Trần Thị Ngọc Duyên, Lê Hồng Quốc, Nguyễn Văn Trụ).
Trước Cách mạng tháng 8(1945), chùa Keo (Thái Bình) thường mở hội 2 lần trong một năm. Hội xuân được tổ chức ngày mùng 4 tháng Giêng, mang tính chất của một lễ hội nông nghiệp. Ngoài các nghi lễ thông thường, trong hội còn có nhiều trò đặc sắc, như thi nấu cơm, thi ném pháo, thi bắt vịt, trong đó, thi nấu cơm được coi là hoạt động trung tâm của hội. Hội tháng 9 được tổ chức vào ngày 13 đến ngày 15, gắn với ngày sinh (13/9), ngày mất (14/9) của Thánh Dương Không Lộ và một số lễ nghi gắn với Phật giáo. Cũng như nhiều lễ hội khác ở nước ta, sau Cách mạng tháng Tám, hội chùa Keo (Thái Bình) đã có một thời gian bị gián đoạn. Trong khoảng vài chục năm trở lại đây, hội chùa Keo (Thái Bình) đã được phục hồi theo như lệ cũ để phục vụ nhu cầu văn hóa của cộng đồng, tuy nhiên, một số nghi thức và trò diễn trong hội xưa đã được giản lược, cải biên để phù hợp với đời sống hiện nay.
Chùa Keo Thái Bình gồm 21 hạng mục lớn, nhỏ (154 gian). Trải qua trên 300 năm, chùa đã được tu bổ, tôn tạo nhiều lần, vào các năm 1689, 1707, 1941, 1957, 2004. Xét về quy mô, bố cục, đặc điểm và nghệ thuật kiến trúc, có thể coi chùa Keo (Thái Bình) là một trong những công trình sáng giá nhất trong hệ thống chùa dạng thức “tiền Phật hậu Thánh” cũng như dạng thức chùa “trăm gian” ở Việt Nam. Các hạng mục kiến trúc chính của di tích gồm:
Tam quan ngoại gồm 3 gian, hai chái, khung gỗ, 4 chân hàng cột, mái lợp ngói mũi hài. Kết cấu vì chính theo kiểu giá chiêng, kết cấu vì nách theo kiểu chồng rường. Phía trước Tam quan ngoại có 4 trụ biểu và một sân lát đá (kích thước 11,10m x 10,10m), phía sau là một hồ nước (hình vuông), bờ kè đá, diện tích khá rộng. Xung quanh hồ là hệ thống đường giao thông dẫn du khách vào khu vực Tam quan nội.
Tam quan nội ở phía sau hồ nước (hình vuông), khung gỗ, gồm 3 gian, hai chái, 3 hàng chân cột, 4 bộ vì, mái lợp ngói mũi hài. Hai vì giữa được kết cấu theo kiểu chồng rường, vì hồi được kết cấu theo kiểu kẻ chuyền. Đây là một kiến trúc khá độc đáo, nghệ thuật chạm khắc tinh xảo. Đặc biệt là bộ cửa ở vị trí trung quan, mang phong cách nghệ thuật thế kỷ XVII (Bộ cửa ở đây hiện nay là hiện vật phục chế, bộ cửa gốc hiện được lưu giữ tại Bảo tàng Mỹ thuật Việt Nam).
- Chùa Ông Hộ: được dựng theo thức tàu đao lá mái, gồm 7 gian, kết cấu gỗ, mái lợp ngói mũi hài. Khung kiến trúc gồm 6 bộ vì chính và 2 bộ vì chái bồ câu, dựng trên 4 hàng chân cột. Các cấu kiện kiến trúc được chạm khắc rất công phu, tiêu biểu cho phong cách nghệ thuật kiến trúc thế kỷ XVII. Trong khu vực này an vị hai tượng Hộ pháp, khám và tượng các vị từng có nhiều công lao đối với việc dựng chùa xưa kia: Hoàng Nhân Dũng, Nguyễn Văn Trụ, Trịnh Thị Ngọc Trân, Lại Thị Ngọc Lễ. Hai gian đầu hồi an vị bộ tượng Thập điện Diêm vương.
- Tòa Ống muống: khung gỗ, không có tường bao, gồm 3 gian, 4 bộ vì, 4 hàng chân cột, kết cấu vì theo dạng thức thượng giá chiêng, hạ chồng rường, mái lợp ngói mũi hài, nối liền chùa Ông Hộ và Tam bảo.. Trong không gian này có một chiếc sập thờ, mang phong cách nghệ thuật chạm khắc thời Lê Trung hưng, trên đặt bát hương ban Công đồng.
- Tòa Tam bảo: được dựng theo thức tàu đao lá mái, các bộ vì kiểu giá chiêng chồng rường, kết cấu gỗ, gồm 3 gian, không có tường bao, mái lợp ngói mũi hài. Đây là khu vực an vị hệ tượng Phật giáo.
Đền Thánh được dựng theo dạng thức mặt bằng chữ Công, gồm 3 tòa: Thiêu hương (5 gian), Ống muống (3 gian), Thượng điện (5 gian). Phía trước đền là toà Giá roi (5 gian).
Gác chuông được làm theo dạng thức chồng diêm cổ các, gồm có 3 tầng, 12 mái, khung gỗ, mái lợp ngói mũi hài. Đây là một kiến trúc thời Lê, được đánh giá là gác chuông to, đẹp nhất Việt Nam và được chọn làm một trong những biểu tượng văn hóa của đất Thái Bình.
Hai dãy hành lang Đông và Tây được dựng bao quanh chùa Phật - Đền Thánh, phía trước thông qua hàng dậu và Tam quan nội, phía sau kết nối với Gác chuông, hợp thành ô chữ Quốc. Hai dãy hành lang đều được dựng trên mặt bằng hình chữ L, kết cấu khung gỗ, mái lợp ngói, mỗi dãy 33 gian.
Ngoài các kiến trúc chính, chùa Keo còn một số kiến trúc phụ trợ, như Khu Tăng xá, Nhà khách (phía Đông và phía Tây), trụ sở Ban Quản lý Di tích. Đặc biệt, chùa còn là nơi hiện đang lưu giữ và 197 di vật, cổ vật gắn với lịch sử hình thành và phát triển của chùa (từ thế kỷ XVII đến nay), được tạo tác từ nhiều loại chất liệu (gỗ, đá, đồng), có giá trị lịch sử, văn hóa, khoa học đặc sắc.
Với những giá trị văn hóa, lịch sử, khoa học đặc biệt của di tích, Thủ tướng Chính phủ đã xếp hạng Di tích kiến trúc nghệ thuật chùa Keo (huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình) là Di tích quốc gia đặc biệt (Quyết định số 1419/QĐ-TTg ngày 27/09/2012).
