Chùa được xây dựng từ thời Lý Nam Đế (541 – 547), có tên là Khai Quốc. Chùa được dựng tại thôn Yên Hoa (sau được đổi là Yên Phụ) trên một bãi cạnh sông Hồng. Đến đời Lê Thái Tông (1440 – 1442) được gọi là chùa An Quốc. Đến thời Lê Kinh Tông (1600 – 1618) do bãi sông bị lở, chùa được dời vào một hòn đảo nhỏ trong Hồ Tây gọi là Kim Ngư (đảo cá Vàng) là địa điểm ngày nay. Nơi này đã được các vua nhà Lý dựng cung Thúy Hoa và đời Trần dựng điện Hàn Nguyên dùng làm nơi hóng mát, xem đua thuyền đánh cá. Đời Lê Hy Tông (1680 – 1705), chùa được đổi tên gọi là Trấn Quốc.
Vào khoảng đời Lê Thần Tông (1619 – 1643), người dân hai làng Yên Phụ và Yên Quang đắp đập Cổ Ngư (ngày nay là đường Thanh Niên) chắn ngang Hồ Tây (ngăn thành hồ nhỏ là hồ Trúc Bạch hiện nay) nhân đó mới đắp luôn con đường từ đập Cổ Ngư đi vào chùa. Chùa đã được tu sửa vào những năm 1624, 1628. Đến năm 1639 được dựng thêm hậu đường, cổng lầu, hành lang tả hữu, quy mô to rộng, chạm trổ tinh khéo.
Năm Gia Long 14 (1815) chùa được trùng tu, đúc chuông, đắp tượng, quy mô tráng lệ. Phạm Quý Thích, đậu tiến sĩ khoa 1779, soạn văn bia ghi: “Trước hết làm nhà thờ Phật, nhà thắp hương, tiền đường, cả thảy 3 tòa. Sau đó làm 2 hành lang, gác chuông, hậu đường, cả thảy 4 nếp, tất cả đều cao lớn hơn trước, đồng thời đúc tượng Phật và đúc chuông lớn”. Năm 1821 vua Minh Mạng ra Bắc Thành đến thăm chùa, ban 20 lạng bạc để tu sửa. Năm 1842 vua Thiệu Trị cũng đến thăm chùa, đổi tên chùa là Trấn Bắc, ban một đồng tiền vàng lớn và 299 quan tiền để tu sửa. Tuy nhiên nhân dân vẫn quen gọi là chùa Trấn Quốc.
Giống hầu hết những ngôi chùa khác ở Việt Nam, kết cấu và nội thất chùa Trấn Quốc có sự sắp xếp trình tự và theo nguyên tắc khắt khe của Phật giáo. Gồm nhiều lớp nhà với ba ngôi chính là Tiền đường, nhà thiêu hương và thượng điện nối thành hình chữ Công (工).
Tiền đường hướng về phía Tây. Hai bên nhà thiêu hương và thượng điện là hai dãy hành lang. Sau thượng điện là gác chuông. Gác chuông chùa là một ngôi ba gian, mái chồng diêm, nằm trên trục sảnh đường chính.
Bên phải là nhà tổ và bên trái là nhà bia. Trong chùa hiện nay đang lưu giữ 14 tấm bia. Trên bia khắc năm 1815 có bài văn của tiến sĩ Phạm Quý Thích ghi lại việc tu sửa lại chùa sau một thời gian dài đổ nát. Công việc này bắt đầu vào năm 1813 và kết thúc vào năm 1815.
Khuôn viên chùa có Bảo tháp lục độ đài sen được xây dựng năm 1998. Bảo tháp lớn gồm 11 tầng, cao 15m. Mỗi tầng tháp có 6 ô cửa hình vòm, trong mỗi ô đặt một pho tượng Phật A Di Đà bằng đá quý. Đỉnh tháp có đài sen chín tầng (được gọi là Cửu phẩm liên hoa) cũng bằng đá quý. Bảo tháp này được dựng đối xứng với cây bồ đề lớn do Tổng thống Ấn Độ tặng khi ông đến thăm Hà Nội năm 1959. Thượng toạ Thích Thanh Nhã, Uỷ viên Hội đồng trị sự Giáo hội Phật giáo Việt Nam, Trụ trì chùa Trấn Quốc, đã giải thích sự đối xứng đó là: “Hoa sen tượng trưng cho Phật tính chân, như tính sinh ở dưới bùn mà không bị ô uế. Bồ đề là trí giác, trí tuệ vô thượng. Tất cả đều hàm ý nghĩa bản thể và hiện tượng của các pháp”.
Với những giá trị về lịch sử và kiến trúc đó, chùa được công nhận là Di tích Lịch sử Văn hoá cấp Quốc gia vào năm 1989. Chùa Trấn Quốc ngày nay không chỉ nổi tiếng là chốn cửa Phật linh thiêng, thu hút rất nhiều tín đồ Phật tử đến hành lễ mà còn là điểm thu hút khách tham quan, du lịch trong và ngoài nước khi đến du lịch Hà Nội.