Theo tài liệu cổ, chùa Phật Tích được khởi dựng vào năm Thái Bình thứ tư (1057) với nhiều tòa ngang dãy dọc. Năm 1066, vua Lý Thánh Tông lại cho xây dựng một cây tháp cao. Sau khi tháp đổ mới lộ ra ở trong đó bức tượng Phật A Di Đà bằng đá xanh nguyên khối. Để ghi nhận sự xuất hiện kỳ diệu của bức tượng này, làng đổi tên là Phật Tích và dời cả lên trên sườn núi.
Lối dẫn lên gian chính là những bậc đá cổ, càng làm cho không gian ngôi chùa thêm phần cổ kính. Hiện, chùa có 7 gian tiền đường để dùng vào việc đón tiếp khách, 5 gian bảo thờ Phật, đức A Di Đà cùng các vị tam thế, 8 gian nhà Tổ và 7 gian nhà thờ Mẫu.
Chính điện của chùa Phật Tích là nơi tôn trí pho tượng Phật A Di Đà bằng đá lớn nhất và nguyên vẹn nhất của thời Lý. Tượng Phật A Di Đà là bảo tượng cổ nhất Việt Nam có niên đại 1057. Đây cũng là một trong những kiệt tác điêu khắc thời Lý, là hiện vật đầu tiên được công nhận là Bảo vật quốc gia của Việt Nam (đợt 1, năm 2012).
Tượng A Di Đà cao 1,86m, kích thước hiện tại cả bệ cao 2,77m, được tạo tác bằng đá xanh. Thể hiện Đức Phật A Di Đà ngồi tọa thiền trên tòa sen theo lối kiết già toàn phần, thân hình cân đối thanh thoát, dáng ngồi thanh thản tự tại.
Năm 1959 chùa Phật Tích được Nhà nước cho xây dựng lại theo quy mô nhỏ để tôn thờ các di vật còn lại. Đến năm 1962, Bộ Văn hóa công nhận là Di sản Văn hóa cấp Quốc gia. Hiện nay, chùa Phật Tích được trùng tu gồm các tòa: Tam bảo, hậu đường, nhà khách, nhà tổ, nhà mẫu.
10 bức tượng linh thú bằng đá được xếp thành những cặp đăng đối chầu trước Tam Bảo của chùa gồm sư tử, voi, tê giác, trâu, ngựa. Với những giá trị to lớn về lịch sử, văn hoá và nghệ thuật, bộ tượng đã được công nhận là Bảo vật quốc gia của Việt Nam. Đây là những hiện vật gốc được tạo tác bằng đá sa thạch nguyên khối và độc bản đã tạo nên nét cổ kính, độc đáo hiếm có của chùa Phật Tích.
Năm 2016, nhân dịp về dự ngày hội Đại đoàn kết toàn Dân tộc - kỷ niệm 86 năm ngày thành lập MTTTQVN, Tổng Bí thư Nguyễn Phú Trọng đã đến dâng hương cúng Phật và trồng cây lưu niệm (cây bồ đề) tại chùa Phật Tích.
Tại chùa Phật Tích còn có pho tượng A Di Đà cao 27m (tính cả bệ là 30 m), nặng 3.000 tấn tọa lạc trên đỉnh núi, được khởi công xây dựng từ tháng 2/2007.
Tượng Phật A Di Đà mới nặng 3.000 tấn, dựa trên nguyên mẫu tượng A Di Đà - bảo vật quốc gia đang được tôn thờ tại Chánh điện. Khi hoàn thiện vào năm 2010, tượng Phật A Di Đà mới đạt kỷ lục là "pho tượng Phật bằng đá lớn nhất Đông Nam Á".
Tại đây còn có Tháp Phổ Quang hay còn gọi là Tháp Bảo Nghiêm được xây dựng từ năm 1692 với 4 tầng, phía mặt tháp có điêu khắc tượng Phật ngồi trên tòa sen. Tháp Phổ Quang là ngọn tháp lớn nhất trong chùa, cao 5,1m gồm đế, khám thờ, hai tầng diềm và mái mui luyện với chóp tròn.
Hiện nay, ở sân sau chùa có 35 ngọn tháp lớn nhỏ, cái được dựng bằng đá, cái được xây bằng gạch. Mỗi cây tháp, giữ xá lị của các hòa thượng đắc đạo. Với những giá trị nổi bật, chùa Phật Tích đã được Thủ tướng Chính phủ công nhận là di tích lịch sử và kiến trúc nghệ thuật quốc gia đặc biệt năm 2014.
