Theo sách "Không Lộ Thiền sư ký ngữ lục" chùa ban đầu có tên là Nghiêm Quang, được Không Lộ xây dựng từ năm 1067 tại làng Giao Thủy (tên nôm là làng Keo) bên hữu ngạn sông Hồng. Sau khi Thiền sư Không Lộ qua đời, chùa Nghiêm Quang được đổi tên là Thần Quang Tự. Theo thời gian, nước sông Hồng xói mòn dần nền chùa và đến năm 1611, một trận lũ lớn đã cuốn trôi cả làng mạc lẫn ngôi chùa. Dân làng Keo phải bỏ quê cha đất tổ ra đi: một nửa dời về đông nam hữu ngạn sông Hồng, về sau dựng lên chùa Keo - Hành Thiện (nay thuộc tỉnh Nam Định); một nửa vượt sông đến định cư ở phía đông bắc tả ngạn sông Hồng, về sau dựng lên chùa Keo - Thái Bình. Việc dựng chùa mới được bắt đầu từ năm 1630, hoàn thành năm 1632, chùa được dựng theo phong cách kiến trúc thời Lê, nhờ sự vận động của bà Lại Thị Ngọc, vợ Tuần Thọ Hầu Hoàng Nhân Dũng, và Đông Cung Vương phi Trịnh Thị Ngọc Thọ. Chùa được trùng tu nhiều lần vào các thế kỷ 17, 18 và năm 1941.

Chùa có quy mô kiến trúc rộng lớn trên một khu đất khoảng 58.000m². Hiện nay toàn bộ kiến trúc chùa còn lại 17 công trình gồm 128 gian xây dựng theo kiểu "Nội công ngoại quốc". Từ cột cờ bằng gỗ chò thẳng tắp cao 25m ở ngoài cùng, đi qua một sân lát đá, khách sẽ đến tam quan ngoại, hồ sen, tam quan nội với bộ cánh cửa chạm rồng chầu (thế kỷ 16). Điện Phật được bài trí tôn nghiêm. Sau chùa Phật có đền thờ Thiền sư Không Lộ, người khai sơn ngôi chùa vào thời Lý.

Công trình kiến trúc nổi tiếng của chùa là gác chuông. Gác chuông chùa Keo là một công trình nghệ thuật bằng gỗ độc đáo, tiêu biểu cho kiến trúc cổ Việt Nam thời hậu Lê. Được dựng trên một nền gạch xây vuông vắn, gác chuông cao 11,04m, có 3 tầng mái, kết cầu bằng những con sơn chồng lên nhau. Tầng một có treo một khánh đá dài 1,20m, tầng hai có quả chuông đồng cao 1,30m đường kính 1m đúc vào thời Lê Hy Tông năm 1686, tầng ba và tầng thượng treo chuông nhỏ cao 0,62m, đường kính 0,69m đúc năm 1796. 
Đến thăm chùa, du khách có thể nhìn thấy những đồ thờ quý giá tương truyền là đồ dùng của Thiền sư Không Lộ như một bộ tràng hạt bằng ngà, một bình vôi to và ba vỏ ốc lóng lánh như dát vàng mà người ta kể lại rằng chính do Không Lộ nhặt được thuở còn làm nghề đánh cá và giữ làm chén uống nước trong những năm tháng tu hành. 
 Chùa đã được Bộ Văn hóa Thông tin công nhận là Di tích lịch sử - văn hóa quốc gia.

Hội chùa

Hằng năm vào ngày mồng bốn tháng giêng âm lịch, nhân dân làng Keo xã Duy Nhất lại mở hội xuân ngay ở ngôi chùa. Hơn chín tháng sau, vào các ngày 13, 14, 15 tháng chín âm lịch, chùa Keo lại mở hội mùa thu. Đây là hội chính, kỷ niệm ngày Thiền sư Không Lộ (1016-1094), người sáng lập ngôi chùa, qua đời (Ngài qua đời ngày 3 tháng 6 âm lịch).

​Ngày 13, mở đầu là cuộc rước kiệu kỷ niệm 100 ngày tịch của thiền sư Không Lộ. Chiều có các cuộc đua trải. Tối có cuộc thi kèn và trống.

Sáng 14, kỷ niệm ngày sinh của sư Không Lộ. Sau lễ dâng hương đến đám rước gồm có đôi ngựa hồng, ngựa bạch có đủ yên cương và 4 bánh do người kéo. Tiếp đến là 8 lá cờ thần, 42 người vác bát bửu lỗ bộ... Chiều 14, tại toà Giá Roi diễn ra nghi lễ chầu thánh mang tính nghệ thuật , đó là điệu múa cổ còn gọi là "múa ếch vồ".

Ngày 15, mọi nghi lễ diễn ra như ngày 14 nhưng có thêm một số trò diễn sau khi rước kiệu hoàn cung.

Hội chùa Keo diễn ra đông vui tấp nập suốt 3 ngày, 3 đêm bằng nghi lễ tôn giáo và một số tập tục cổ truyền để tưởng nhớ vị thiền sư đã có công với nước và qua hình thức biểu diễn nghệ thuật dân gian đã phản ánh được lối sống của vùng dân cư ven sông mang màu sắc văn hoá nông nghiệp của đồng bằng Bắc Bộ. 

Lễ hội năm 2016 còn là dịp kỷ niệm 1000 năm ngày sinh của Đức Thánh Dương Không Lộ và đề nghị công nhận Lễ hội Chùa Keo là Di sản phi vật thể Quốc gia.