Theo một số nguồn sử liệu, chùa được khởi công xây dựng năm 187 và hoàn thành năm 226, là trung tâm Phật giáo đầu tiên của người Việt. Vào cuối thế kỷ 6, nhà sư Tì-ni-đa-lưu-chi từ Trung Quốc đến chùa và lập nên một phái Thiền mới.
Vào năm 1313 dưới triều vua Trần Anh Tông, chùa Dâu được Lưỡng quốc trạng nguyên Mạc Đĩnh Chi dày công tu bổ thành chùa 100 gian, tháp 9 tầng, cầu 9 nhịp. Chùa tiếp tục được trùng tu nhiều lần qua các thế kỷ tiếp theo.
Ngày nay, chùa Dâu mang kiểu kiến trúc "nội công ngoại quốc" điển hình của các ngôi chùa cổ miền Bắc. Chùa có bốn dãy nhà liên thông hình chữ nhật bao quanh ba ngôi nhà chính, gồm tiền điện, thiêu hương và thượng điện.
Nét kiến trúc đặc sắc nhất của chùa Dâu là tòa tháp Hòa Phong nằm ở khoảng sân chùa sau tiền điện. Tháp xây bằng gạch nung già, vốn có 9 tầng nhưng nay chỉ còn ba tầng dưới. Mặt trước tầng hai có gắn bảng đá khắc chữ "Hòa Phong tháp".
Tháp xây theo bình đồ vuông, mỗi cạnh tầng một rộng gần 7 m. Mỗi tầng có bốn cửa vòm ở bốn mặt. Trước tháp, bên phải có tấm bia vuông dựng năm 1738, bên trái có tượng một con cừu đá là dấu vết duy nhất còn sót lại từ thời nhà Hán.
Trong tháp có 4 tượng Thiên Vương cao 1,6 m ở bốn góc, phía trên treo một quả chuông đồng đúc năm 1793 và một chiếc khánh đúc năm 1817.
Về tín ngưỡng, nét đặc biệt của chùa Dâu là ngôi chùa này thờ Tứ pháp, gồm Pháp Vân, Pháp Vũ, Pháp Lôi, Pháp Điện. Đây là một hệ thống thờ tự độc đáo mang đặc trưng của dòng thiền xứ Kinh Bắc cổ xưa.
Ngày nay, chùa còn lưu giữ khoảng 100 tượng thờ các loại, trong đó có nhiều tác phẩm mẫu mực của nền điêu khắc cổ Việt Nam.
Phía sau chùa là vườn tháp, nơi lưu giữ di cốt của các nhà sư tu hành tại chùa.
Vào năm 2013, chùa Dâu đã được công nhận là di tích quốc gia đặc biệt của Việt Nam.