Theo sử sách ghi chép lại, vị trí ngôi đền là vị trí lầu Vọng Nguyệt nơi công chúa Phất Kim ở dưới triều nhà Đinh. Năm 968 sau khi dẹp xong loạn 12 sứ quân, Đinh Bộ Lĩnh lên ngôi Hoàng đế, đặt tên nước là Đại Cồ Việt, chọn Hoa Lư làm Kinh đô. Khi hàng phục được sứ quân Ngô Nhật Khánh, để liên minh chính trị bền chặt và thân thiết hơn Vua Đinh Tiên Hoàng đã gả công chúa Phất Kim cho Ngô Nhật Khánh, một sứ quân hàng phục thuộc dòng dõi quý tộc nhà Ngô. Là phò mã, nhưng Ngô Nhật Khánh vẫn không nguôi oán hận và tìm cách cầu viện Chiêm Thành chống lại nhà Đinh. Một thời gian sau đó Ngô Nhật Khánh áp giải Phất Kim trốn khỏi kinh thành Hoa Lư, thuyền đi đến cửa biển Nam Giới, Nhật Khánh biết không thể đưa vợ đi cùng đành giận dữ đoạn tuyệt rồi bỏ mặc vợ quay về còn mình thì chạy sang Chiêm Thành. Công chúa Phất Kim trở về Hoa Lư và đi tu tại ngôi chùa nằm ở phía bắc của Kinh thành Hoa Lư (chính là Chùa Nhất Trụ ngày nay). Trong lúc đang đau đớn tuyệt vọng thì Vua cha và anh trai Đinh Hạng Lang bị nghịch thần là Đỗ Thích sát hại. Thập đạo tướng quân Lê Hoàn cùng Hoàng Hậu Dương Vân Nga lên nhiếp chính. Ngô Nhật Khánh cùng vua Chiêm dẫn hơn 1.000 chiến thuyền, thủy quân xuất chinh theo 2 cửa biển Đại Ác và Thần Phù vào đánh Đại Cồ Việt nhưng bị bão biển dìm chết. Công chúa Phất Kim đau đớn, xót xa, tuyệt vọng, nhảy xuống giếng nước lầu Vọng Nguyệt tự vẫn.

Đền thờ công chúa Phất Kim là nơi suy tôn người phụ nữ thế kỷ 10 hiền lành, trung hậu, và chịu nhiều sóng gió của cuộc đời

Kiến trúc đền được xây dựng theo hình chữ Đinh, gồm hai tòa Tiền bái và Hậu cung.

Tòa Tiền bái gồm 3 gian, mái lợp ngói nam. Bờ nóc tòa Tiền bái ở chính giữa trang trí mặt nguyệt, hai đầu của bờ nóc trang trí rồng chầu. Tất cả các họa tiết trang trí  mang nét mỹ thuật thời Nguyễn. Tòa có nhang án thờ các quan, ở dưới có nhang án thờ tượng thần Bạch Hổ.

Tòa Hậu cung đặt tượng Công chúa trong long đình, tượng nhỏ, tạc ở tư thế ngồi, chân chữ ngũ. Hai bên tượng có tượng hai nàng hầu. Bài vị đề “ Thục Tiết Công Chúa. Thần vị”.

Lễ hội đền thờ Công chúa Phất Kim nằm trong chương trình lễ hội truyền thống Hoa Lư (từ ngày 9 - 11 tháng 3 âm lịch hàng năm).