Năm 1010, khi Lý Thái Tổ dời đô từ Hoa Lư ra Thăng Long, định đắp thành nhưng nhiều lần thành đắp lên lại bị sụp đổ. Vua cho người cầu khấn ở đền thờ thần Long Đỗ thì thấy một con ngựa trắng từ đền đi ra. Vua lần theo vết chân ngựa, vẽ đồ án xây thành, thành mới đứng vững. Thần được vua Lý Thái Tổ phong làm Thành hoàng của kinh thành Thăng Long.
Văn bia hiện còn ở đền cho biết, đền Bạch Mã được tu bổ lớn vào đời Lê Chính Hòa (1680-1705), đến năm Minh Mệnh thứ 20 (1839) lại được tu bổ thêm: sửa lại đền, dựng riêng văn chỉ, xây Phương đình, qui mô ngày càng rộng rãi, cảnh quan tôn nghiêm, nổi tiếng ở chốn đất thiêng.
Hiện tại ngôi đền có qui mô kiến trúc lớn, quay theo hướng Nam gồm có nghi môn, phương đình, đại bái, thiêu hương, cung cấm và nhà hội đồng ở phía sau. Các mục hạng này được bố trí theo chiều dọc, trong một không gian khép kín. Kiến trúc đền còn lưu lại hiện nay chủ yếu mang phong cách nghệ thuật thời Nguyễn (thế kỷ 19). Nổi bật trong kết cấu kiến trúc của đền là toàn bộ khung nhà gỗ với hệ thống cột gỗ lim lớn, các bộ vì đỡ mái được làm kiểu "giá chiêng chồng rường con nhị", đặc biệt là "hệ củng 3 phương" tại nhà phương đình vừa có tác dụng chịu lực, vừa là tác phẩm nghệ thuật và sử dụng để treo đèn trong các ngày lễ hội và kết cấu "vòm vỏ cua" đỡ mái hiên nhà thiêu hương. Trên các cốn gỗ, xà lách, xà ngang, các vì chồng rường đều có nhiều mảng trang trí với các đề tài phong phú và nét trạm chắc, khỏe.
Trong nội thất của đền, phương đình ở phía trong, bên trái có cây hương, bàn thờ, phía ngoài có miếu thờ Tề Vương Phi, bên phải phương đình thờ Bể Núi. Thiêu hương và cung cấm có ban thờ và đồ tế lễ.
Hiện đền còn lưu giữ nhiều di vật cổ có giá trị như: bia đá, sắc phong, kiệu thờ, hạc thờ, đôi phỗng, Cùng với các giá trị về kiến trúc nghệ thuật, di tích đền Bạch Mã là một nguồn tư liệu quí để nghiên cứu, tìm hiểu Thăng Long-Hà Nội về nhiều mặt.
Có hơn một nghìn năm lịch sử, Đền Bạch Mã là một trong những di tích kiến trúc nghệ thuật tiêu biểu của thủ đô Hà Nội.
63, Mã Mây, Phường Hàng Buồm, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
33, Mã Mây, Phường Hàng Buồm, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
23, Lương Ngọc Quyến, Phường Hàng Buồm, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
76, Hàng Buồm, Phường Hàng Buồm, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
29, Hàng Giấy, Phường Đồng Xuân, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội