Chùa Đào Xuyên quay hướng Đông Nam, phía trước là sông Nghĩa Trụ, có kiến trúc kiểu “nội đinh, ngoại quốc”. Tam quan có kết cấu bằng đá bề thế, phía sau là một sân rộng dẫn vào tiền đường và hậu cung. Tiền đường gồm bảy gian hai dĩ, xây kiểu tường hồi bít đốc. Bộ khung đỡ mái gồm tám bộ vì kèo gỗ. Mặt bằng được bố trí theo lối bốn hàng chân cột đặt trên chân tảng đá xanh, mái phân “thượng tứ hạ ngũ”. Nối với tiền đường là thượng điện gồm 5 gian xây dọc theo hình chữ “đinh”, gồm 6 bộ vì kèo. Hai dãy hành lang gồm 12 gian, nối từ tiền đường đến hai hồi nhà Tổ tạo thành chữ “quốc”. Nhà Tổ gồm hai dãy nhà năm gian tạo thành chữ “nhị”. Trước gian giữa nhà Tổ là nhà bia, bên trong có tấm bia niên hiệu Bảo Đại, hai mặt khắc chữ. Ngoài ra, trong khuôn viên chùa còn có nhà thiêu hương, nhà Mẫu, khu mộ tháp, nhà Tổ...
Trong chùa hiện còn bảo lưu nhiều di vật có giá trị như hệ thống bia đá cổ với 2 tấm bia niên đại thế kỷ XVII và 6 tấm bia có niên đại từ thời Tự Đức đến Bảo Đại cùng hệ thống tượng tròn mang phong cách nghệ thuật thế kỷ XVI - XIX và nhiều di vật quý khác. Đáng chú ý hơn cả là pho tượng Quan Âm Thiên thủ Thiên nhãn có niên đại thế kỷ XVI đã được công nhận là Bảo vật quốc gia năm 2015, được làm bằng gỗ mít sơn son thếp vàng, cao 1,32m, tính cả bệ sen hình lục giác là 2,55m. Tượng có 42 cánh tay lớn phía trước và 652 tay nhỏ xếp thành nhiều lớp, tạo thành vòng hào quang tỏa rộng 1,55m. Mặt tượng đầy đặn, toát lên vẻ đôn hậu. Tượng có tư thế “tham thiền nhập định”, ngồi trên một tòa sen cao 0,5m gồm 13 cánh sen chính, 13 cánh sen phụ và 20 cánh cách điệu, bố trí xen kẽ thành 2 lớp. Phía dưới có một con rồng đội tòa sen nổi trên mặt sóng.
Bên cạnh giá trị về lịch sử, chùa Đào Xuyên còn là một di tích cách mạng đã được thành phố Hà Nội gắn biển. Trước Cách mạng Tháng Tám, đây là nơi cất giữ tài liệu Đảng, là nơi các đồng chí Trường Chinh, Hoàng Quốc Việt và nhiều lãnh đạo Đảng về hoạt động.
Chùa Đào Xuyên đã được xếp hạng Di tích Kiến trúc nghệ thuật năm 1990.