Chùa tọa lạc trên một khu đất rộng, cao ráo, tách biệt hẳn với khu dân cư, bên bờ hữu của sông Hoàng Long. Theo thuyết phong thủy thì chùa Bà Ngô ở trên mình một con rồng. Phía trước là ao chùa (tượng trưng cho cái đầu rồng), phía sau chùa là dãy núi Hàm Rồng, núi Nghẽn (tượng trưng cho thân rồng).

Chùa quay hướng Đông Nam, kiến trúc theo kiểu chữ Đinh. Tòa Tiền đường gồm 3 gian nhà ngang, gian giữa dùng làm nơi tế lễ, Ban Đức Ông ở bên tả, Ban Thánh hiền ở bên hữu. Tiếp giáp với Tiền đường là 2 gian Thượng điện chạy dọc tạo thành hình chuôi vồ. Bài trí Thượng điện: Trên cùng là tượng Tam thế; hàng thứ 2 là Bộ tượng Di đà tam tôn; hàng thứ 3 là tượng Thích ca liên hoa; hàng thứ tư là tòa Cửu Long; phía trước tòa Cửu Long còn có tượng Nam Tào, Bắc Đẩu.

Bên tả chùa là nhà tổ, bên hữu chùa là điện thờ Tam tòa thánh Mẫu.

Trước sân chùa là bia đá hình trụ vuông, tạo dựng từ thời Tự Đức tam thập niên.

Theo lời kể của các cụ cao niên trong vùng, chùa bà Ngô gắn với sự kiện khi Đinh Bộ Lĩnh bị chú đuổi, được rồng vàng chở qua sông (sông Hoàng Long), đến bờ bên này thì Đinh Bộ Lĩnh ngủ quên (trên vị trí chùa đang tọa lạc), mơ thấy bà Ngô (Bà Ngô ở đây có nghĩa là một bà khách không rõ tên) nói rằng sau này cậu sẽ làm vua. Khi làm vua, Đinh Bộ Lĩnh cho xây dựng chùa ở đó và gọi là chùa Bà Ngô.

Các sự kiện liên quan đến di tích:

Chùa Bà Ngô là nơi có cột kinh Phật Đinh Liễn. Từ năm 1963 đến nay, bên bến sông Hoàng Long, gò Cò Nành đến chùa Bà Ngô đã tìm thấy trên 20 cột kinh Phật Đinh Liễn. Ở cầu ao của chùa cũng đã tìm thấy hai cột kinh Phật, những cột kinh Phật này đã được giáo sư Hà Văn Tấn nghiên cứu. Cột thứ nhất khắc bài Phật đỉnh Tôn thắng Đà-la-ni, có dòng lạc khoản: “Đệ tử tĩnh hải quân tiết độ sứ Nam Việt vương Đinh Liễn kính trọng bảo tràng nhất bách trà, quý dậu tuế” nghĩa là: Người theo đạo Phật là Nam Việt vương Đinh Liễn kính cẩn dâng lên 100 tòa kinh Phật vào năm 973). Như vậy Đinh Liễn, con cả vua Đinh đã dâng lên 100 tòa kinh Phật, có thể là ở chùa Bà Ngô. Cột kinh thứ hai gọi là sám hối của Đinh Liễn về việc giết em trai tranh ngôi thái tử và cầu cho linh hồn người em được mát mẻ, cầu cho người cha mãi mãi giữ trời Nam và cầu cho mình mãi giữ vững được lộc vị.

Những cột kinh tìm thấy ở Hoa Lư là biểu hiện tín ngưỡng của Mật giáo Trung Quốc, ảnh hưởng của nó đã lan đến Triều Tiên. Và với những phát hiện ở Hoa Lư, ta thấy tín ngưỡng này đã phổ biến ở Việt Nam vào thế kỷ thứ X.

Chùa Bà Ngô là một địa danh được nhà Lý đặt cho Thăng Long (Hà Nội). Sử cũ cho biết, khi Lý Thái Tổ dời đô từ Hoa Lư ra Thăng Long (Hà Nội) đã lấy một số địa danh ở Hoa Lư đặt cho Thăng Long như: Tháp Báo Thiên, chùa Nhất Trụ (chùa Một Cột), Cầu Đông, Cầu Rền….trong đó có chùa Bà Ngô. Những địa danh này cũng giúp chúng ta nghiên cứu về mối quan hệ Hoa Lư - Thăng Long (Hà Nội).