Căn cứ vào các chữ trên câu đối hiện còn đặt trên Tam bảo của chùa đó là: “Hương Vân tự Cổ Tòng Đinh-Lý-Trần-Lê Kỷ Kinh Vật Hoán Tinh Di Thần Thông Tự Tại," chùa Triều Khúc có dấu tích từ thời nhà Đinh (tính đến nay đã được hơn 10 thế kỷ).

Xưa kia chùa có tên là Vân Mộng tự. Tên này là do một thí chủ nằm chiêm bao thấy một đám mây lành tụ lại trên mảnh đất của chùa nên khi xây dựng chùa xong lấy tên là Vân Mộng tự. Sau đó, lại có một thí chủ thấy mảnh đất hiện tại của chùa có hình cái chén tỏa ra hương thơm nên đặt tên chùa là Hương Chản tự. Ngày ấy chùa được xây dựng nhỏ và rất sơ sài.

Chùa cũng đã trải qua nhiều biến cố thăng trầm của lịch sử. Năm 1936, sư tổ Thích Thanh Khánh trụ trì chùa đã nhận được sự giúp đỡ của sư tổ chùa Bát Mẫu (là người địa phương Triều Khúc) cùng với chính quyền và người dân thôn Triều Khúc, phát tâm xây dựng lại chùa.

Năm 1938, ngôi chùa được hoàn thiện theo phong cách kiến trúc thời Nguyễn. Từ đó, chùa đã lấy chữ “Hương” của “Hương Chản tự” và chữ “Vân” của “Vân Mộng tự” thành “Hương Vân tự” cho đến ngày nay.

Ngôi chùa làm cho cảnh trí của toàn làng nổi bật, trước chùa cách một con đường nhỏ là hồ Triều Khúc và có nhà thủy tạ. Hồ nước này có thế đất mang hình dáng một con rùa. Người ta nói rằng con rùa này xưa kia rất ác, nhiều dân làng đã bị nó hãm hại. Vì thế để trừ con yêu gây hại này, dân làng đã xây nhà thủy tạ yểm ngang trên đầu rùa.

Chùa Triều Khúc được xây dựng theo trục trung tâm quay về hướng Nam, nhìn một cách tổng thể, là công trình đồ sộ và bề thế. Về cơ bản chùa được kiến trúc sư và các nghệ nhân dân gian xưa kết cấu kiến trúc nhất quán theo kiểu kiến trúc hai mái, tường hồi bít đốc. Chùa được lợp bằng ngói mũi hài. Các thành phần kết cấu gỗ dùng để đỡ mái làm theo kiểu chồng rường cột chống.

Kiến trúc chùa có nhiều lớp gồm cổng tam quan, lư hương, thượng điện, hai dãy nhà tả vu, hữu vu, nhà thờ Tổ, nhà thờ Mẫu và tăng phòng.

Cổng tam quan được xây theo kiểu hai tầng, tám mái, gác giả, tầng dưới cùng là ba cửa vòm có chạm khắc, trang trí bốn chim phượng, tứ linh và có bốn cột trụ biểu. Đỉnh trên cùng mái tam quan chùa Triều Khúc có xuất hiện hình ảnh lưỡng long chầu nhật, không chỉ mang ý nghĩa về sự xua đuổi tà ma mà còn trở thành họa tiết trung tâm, mang tư tưởng tam giáo đồng nguyên. Chính giữa nóc mái là hình Mặt Trời.

Qua cổng tam quan là một khoảng sân lát gạch đỏ. Tiếp đến, tòa Tam bảo và Thượng điện là chùa chính, năm gian được xây dựng trên cơ sở nền tảng kiến trúc cổ, kết cấu kiểu chữ đinh, có cửa võng, y môn sơn son thếp vàng. Hầu hết ở những vị trí chính, các thức gỗ, vì kèo của tòa thượng điện được bào trơn đóng bén, soi gờ chạy chỉ khá đơn giản. Phía sau Thượng điện là khám thờ Phật Bà Quan Âm, kế đến là nhà thờ Tổ.

Khu nhà thờ Tổ có ba nếp bao quanh một sân gạch. Nhà năm gian nằm ở phía sau chùa chính cũng giống như tòa tam bảo và thượng điện đều được xây dựng theo kiểu hai mái bít đốc, có vì kèo bằng gỗ, sử dụng những yếu tố trang trí đơn giản. Các mảng gỗ được bào trơn, làm bằng gỗ hương, gỗ mít…

Kiến trúc chùa là sự kết hợp tinh tế giữa các loại vật liệu kiến trúc: gạch, gỗ và đá. Một số chi tiết trên hệ thống kiến trúc được kết hợp gạch gốm và các vật liệu tạo màu khác, nhằm tô điểm nhẹ nhàng cho công trình kiến trúc nổi bật với tương quan chung của chùa trong cảnh quan ngôi làng cổ. Đặc trưng phong cách kiến trúc chùa Triều Khúc không chỉ nằm ở sự cổ kính, rêu phong trầm mặc của màu gỗ nâu đen nhuộm lớp thời gian mà còn là sự hòa quyện giữa kiến trúc và tự nhiên, tạo nên khung cảnh thơ mộng, trữ tình.

Chùa còn lưu giữ 52 pho tượng với sự có mặt đầy đủ các đức Phật trên tam bảo. Chùa hiện còn 20 bức cửa võng, 10 bức hoành phi, 18 đôi câu đối, 2 hương án, 6 cuốn thư gỗ, tất cả đều sơn son thếp vàng lộng lẫy, 8 bát hương sứ, lọ độc bình, lọ hoa sứ, mâm đồng…

Trước sự tàn khốc của thiên nhiên, của hai cuộc kháng chiến chống Pháp và chống Mỹ, cùng với bao biến cố thăng trầm lịch sử, nhà thờ Tổ, nhà thờ Mẫu, hai dãy nhà Hữu vu và Tả vu bị xuống cấp nghiêm trọng. Dù đã qua nhiều lần sửa chữa nhưng chỉ chắp vá tạm thời không có thiết kế tổng thể, chắc chắn.

Năm 2011, được sự quan tâm của các cấp lãnh đạo, cùng với sự đóng góp của nhân dân địa phương và Phật tử thập phương, chùa được tu bổ, tôn tạo các hạng mục bị xuống cấp.

Năm 2012, chùa được xây dựng tu bổ xong, khuôn viên chùa trở nên khang trang hơn với những cấu kiện kiến trúc về cơ bản vẫn giữ gìn nét truyền thống.

Khu vực nhà Tổ và phần hậu cung được gia cố, mở rộng và nâng cao. Lối vào chùa có một cây cầu nhỏ bắc ngang hai bên hồ Triều Khúc được xây hành lang đá với các môtip chạm khắc sinh động, tạo nên nét đẹp vừa thanh tịnh vừa sang trọng cho cảnh quan làng cổ ven đô.