Trải qua năm tháng, chùa Một Cột được trùng tu, phục dựng nhiều lần qua các thời Trần, Hậu Lê, Nguyễn. Năm 1954, trước khi rút khỏi Hà Nội, quân Pháp đặt thuốc nổ phá chùa Một Cột. Năm 1955, chùa Một Cột và Liên hoa đài (đài hoa sen) được trùng tu lại, do kiến trúc sư Nguyễn Bá Lăng đảm nhiệm.

Chùa hình vuông làm bằng gỗ, lợp ngói ta, mỗi cạnh 3m, trên một trụ đá có đường kính 1,2m. Trụ đá gồm hai khối gắn liền với nhau, tưởng như chỉ là một khối. Trụ đá cao 4m (chưa kể phần chìm dưới đất). Phần trên thân trụ mang tám cánh gỗ, trông tựa bông sen nở, lại ăn liền với mộng tám cột lớn và cột phụ đỡ các đòn ngang của mái. Nóc chùa có mặt nguyệt bốc lửa, đầu rồng chầu mặt nguyệt. Trong chùa, tượng đức Phật Quan Âm tọa lạc. Phía trên tượng Phật là hoành phi "Liên hoa đài". Tượng Phật Quan Âm cũng ngồi trên một bông sen bằng gỗ sơn son thiếp vàng, ở vị trí cao nhất. Chùa có bốn mái, bốn đầu đao cong được đắp hình đầu rồng. Chùa Một Cột có ý nghĩa văn hóa tôn giáo to lớn nhưng quy mô lại thu nhỏ để bảo đảm kiến trúc có hình tượng bông sen. Từ sân lên sàn chùa để tụng kinh lễ bái, bước qua 13 bậc rộng 1,4m, hai bên tường gạch, gắn bia đá giới thiệu lịch sử ngôi chùa.

Chùa Một Cột xây ở giữa hồ nước thả sen, mỗi cạnh hồ 20m, có tường thấp bao xung quanh. Sau chùa trồng cây Bồ đề của Tổng thống Pra-sát đem từ Ấn Độ sang tặng Bác Hồ vào tháng 2-1958. Cây này được lấy từ cây Bồ đề nơi Thích Ca tu thành chính quả. Xung quanh có nhiều cây lâu năm tỏa bóng mát làm tăng thêm vẻ tĩnh mịch, hư vô, huyền ảo của ngôi chùa.