Đền nằm phía sát bên trái đình, kiến trúc bao gồm nhà tiền tế, phương đình, hậu cung. Hậu cung gồm 3 gian nhỏ làm theo cấu trúc hình chữ “Đinh” xây gạch cuốn vòm kiểu nhà hầm, trong đó đặt long ngai và tượng Đức Bà Ỷ Lan – pho tượng cổ rất quý hiếm, trên đầu mang vương miện có hình phật Quan Âm.
Đền Phú Thụy đã được bộ văn hóa ra quyết định xếp hạng di tích Kiến trúc nghệ thuật năm 1989.
