Đền vua Đinh được xây dựng theo kiểu đăng đối trên trục thần đạo. Bắt đầu từ hồ bán nguyệt và kết thúc ở Chính điện. Hồ bán nguyệt là một hồ nước xây dựng theo kiểu kiến trúc cung đình xưa. Trong hồ thả hoa súng. Sau Minh Đường - Hồ Bán Nguyệt là bức bình phong. Cổng ngoài dẫn vào đền- Ngọ môn quan là ba gian lợp ngói, Trên vòm cửa cong có hai con lân vờn mây. Phía trên cổng là hai tầng mái che tám mái. Mặt trong cổng ghi bốn chữ "Tiền triều phụng khuyết".
Toà thứ hai là Nghi môn (cổng trong) với 3 gian dựng bằng gỗ lim. Qua Nghi môn ngoại, dọc theo đường thần đạo đến Nghi môn nội. Các họa tiết trang trí của Nghi môn nội giống như Nghi môn ngoại.
Đền thờ có hai lớp cửa vào đền cũng tương tự như hai vòng thành Hoa Lư xưa. Đi hết chính đạo, qua hai trụ cột lớn là đến sân rồng. Giữa sân rồng có một long sàng bằng đá chung quanh chạm nổi. Hai bên sập rồng có hai con nghê đá chầu, được tạc trên hai tảng đá xanh nguyên khối.
Phía sau long sàng là điện thờ Vua Đinh Tiên Hoàng, gồm Bái đường, Thiêu hương và Chính điện.
Tòa bái đường để bàn thờ cộng đồng. Thiêu hương có kiến trúc theo kiểu ống muống, nơi thờ tứ trụ triều đình nhà Đinh: Nguyễn Bặc, Đinh Điền, Trịnh Tú, Lưu Cơ.
Chính điện có 5 gian. Ngai thờ Vua Đinh Tiên Hoàng được đặt ở chính giữa, sơn son thếp vàng. Ngai được đặt trên bệ với tượng rồng tạc giống như rồng nơi long sàng. Tượng Vua Đinh Tiên Hoàng được đúc bằng đồng đặt trên bệ thờ bằng đá xanh nguyên khối. Hai bên bệ đá có hai con rồng chầu, tạc theo kiểu yên ngựa. Trên bức đại tự có ghi hàng chữ: “Chính thống thủy” với ý nghĩa ca ngợi Đinh Bộ Lĩnh là người mở nền chính thống. Hai bên cột giữa có treo câu đối: “Cồ Việt Quốc đương Tống Khai Bảo – Hoa Lư đô thị Hán Tràng An” (Nghĩa là: Nước Đại Cồ Việt sánh ngang với nước Tống - Kinh đô Hoa Lư bề thế như kinh đô Tràng An ). Gian bên phải thờ tượng thái tử Hạng Lang và Đinh Toàn, là hai con thứ của Vua. Gian bên trái thờ tượng Nam Việt Vương Đinh Liễn, là con trưởng của vua.
Đền Đinh Tiên Hoàng là một công trình kiến trúc độc đáo trong nghệ thuật chạm khắc gỗ dân gian thế kỷ 17; là công trình nghệ thuật đặc sắc với nhiều cổ vật quý hiếm được bảo tồn, như gạch xây cung điện có khắc chữ Đại Việt quốc, cột kinh Phật khắc chữ Phạn, các bài bia ký…