Tương truyền chùa Nga My thời xưa được xây dựng to lớn. Căn cứ vào bia đá còn lưu giữ tại chùa thì chùa được trùng tu lớn vào năm Hồng Đức 28 (1479), gồm có tiền đường, nhà thiêu hương và thượng điện.

Khu chùa chính có quy mô kiến trúc lớn gồm tiền đường, thiêu hương và thượng điện. Tiền đường theo kiểu nhà khung gỗ gồm năm gian, hai chái, tường hồi bít đốc, mái lợp ngói mũi hài, bờ nóc, bờ dải đắp gạch gốm hình hoa chanh. Bộ khung đỡ mái gồm sáu vì, kết cấu bốn hàng chân được làm giống nhau kiểu chồng rường. Nền nhà được tôn cao 120cm so với mặt sân, có hàng hiên rộng, phía trước làm cửa bức bàn, phía sau gian giữa thông với thượng điện, các gian ngoài xây tường bao. Dọc hai hồi nhà và tường hậu xây những dãy bệ gạch cao 60cm để đặt tượng thờ.

Thượng điện là một lớp nhà dọc bốn gian nối với gian giữa của tiền đường. Nhà được xây tường bao khép kín, các bộ vì đỡ mái có kết cấu giống nhau và giống như kết cấu vì nhà tiền đường. Do lòng nhà hẹp nên mỗi vì chỉ sử dụng hai hàng cột chính. Các vì nách có kết cấu chồng rường và được đặt trên thanh xà có một đầu ăn sâu chân mộng vào thân cột cái, đầu kia gác trực tiếp trên tường bao. Dưới câu đầu của các vì được treo những bức cửa võng, hoành phi sơn son thếp vàng đã làm tăng sự lộng lẫy cho Phật điện Đại thừa.

Nằm ở phía sau thượng điện, gác chuông chùa Nga My đã mang lại nét đặc sắc, quí hiếm cho kiểu bố cục mặt bằng ở đây. Kiểu gác chuông này hiện nay mới thấy ở chùa Keo (Thái Bình) và chùa Điềm Giang (Ninh Bình). Gác chuông chùa Nga My có mặt bằng hình vuông, hai tầng, tám mái, các góc đao được uốn cong ngược lên. Đầu của bốn đao trên đắp nổi cao bốn đầu rồng, còn bốn đao dưới trang trí văn thực vật, uốn gấp rất uyển chuyển. Phần cổ diêm giữa hai mái làm chấn song con tiện lấy ánh sáng cho bên trong. Tỷ lệ giữa phần mái trên, mái dưới và phần thân nhà rất cân đối mang lại cảm giác đầm ấm cho người xem. Gác chuông được tạo dựng vững chắc trên bộ khung gỗ gồm 16 chân cột, chia đều cho bốn góc nhà. Bốn cột cái có kích thước lớn và vươn tới nóc mái. Quanh mỗi cột cái có ba cột góc để đỡ hệ thống xà, kẻ của tầng mái dưới.

Hệ thống tượng Phật khá đầy đủ được tạo tác thế kỷ 19 (Hậu Lê và đầu Nguyễn), có pho tượng A Di Đà với phong cách nghệ thuật thế kỷ 17-18, pho tượng Tam Thế thuộc thế kỷ 19. Các tượng và đồ thờ đều có giá trị, đặc biệt trên tòa chính điện có pho tượng Bồ tát Quán Thế Âm được các nhà Mỹ thuật đánh giá cao về giá trị nghệ thuật tạc tượng thế kỷ 16,17 .. Trong số 44 pho tượng phật ở chùa này, đáng chú ý hơn cả là tượng Quan Âm nghìn tay nghìn mắt và phần bệ đài sen. Đây là pho tượng có niên đại thế kỷ 18. Tượng có khuôn mặt hiền hậu được chạm khắc biểu hiện sự quyền quý. Những chi tiết tạo tác này cho thấy có sự gần gũi với nét trang trí trên khuôn mặt tượng Quan Âm nổi tiếng ở chùa Bút Tháp (xã Đình Tổ, huyện Thuận Thành, tỉnh Bắc Ninh). Đài sen và bệ được trang trí mỗi cánh sen thể hiện múp phồng, nổi rõ mũi từng cánh, trong lòng cánh sen có hoa cúc (phong cách nghệ thuật thế kỷ 16).

Chùa Nga My đã được trùng tu vào các năm 1624, 1705-1719, 1829, 1900, 1907. Tháng 12/1972, tiền đường của chùa bị bom B52 của Mỹ phá hủy, ngay sau đó đã được phục dựng. Năm 1994 trùng tu dãy giải vũ bên trái; Năm 1996 dựng lại dãy giải vũ bên phải; Năm 1998 lại trùng tu chùa chính.

Chùa Nga My là một công trình Phật giáo có bề dày lịch sử gắn liền với sự hình thành và phát triển của Thăng Long – Hà Nội. Tọa lạc trong một cảnh quan đẹp, hữu tình, chùa có quy mô kiến trúc bề thế, hệ thống hiện vật đa dạng, phong phú, chùa Nga My xứng đáng là một di tích văn hóa quan trọng của Hà Nội.