Đền được xây dựng bằng đá và gỗ lim với kiến trúc cổ kính và là chứng tích lịch sử gắn liền với triều đại nhà Trần. Đền tọa lạc trên mảnh đất hình đầu rồng ở làng Văn Lâm, phường Nam Hoa Lư (Ninh Bình) và nằm trong quần thể Di sản thế giới Tràng An.
Theo sử sách, khi vua Trần Thái Tông khởi dựng hành cung Vũ Lâm trên vạt đất cao gần Hang Cả ở Tam Cốc và thấy nơi đây vẫn còn một khu đất rộng hơn 1 sào, cao hơn mặt ruộng được gọi là Vườn Am. Khi nhà vua cho dựng am Thái Vi đã chiêu mộ dân lưu tán (tha hương - PV) đến khai hoang lập ấp, mở mang đường giao thông, tôn tạo những nơi xung yếu để ngăn địch khi có chiến tranh.
Cũng tại đây nhiều cuộc họp quan trọng của triều đình dưới sự chủ trì của vua Trần Thái Tông đã được tổ chức.
Sau này, nơi đây được người dân lập đền thờ Thái Vi vào thế kỷ XIII để thờ các vị vua của triều đại nhà Trần như: Trần Thái Tông, Trần Thánh Tông, Trần Nhân Tông, Trần Anh Tông, các tướng Trần Hưng Đạo, Trần Quang Khải và hoàng hậu Thuận Thiên. Đây là những người đã lập ra hành cung Vũ Lâm, một cứ địa trong kháng chiến chống Nguyên Mông.
Đền Thái Vi nằm giữa khu đất trống ở cánh đồng; trước đền có giếng ngọc xây bằng đá xanh. Sau đền là dãy núi đá Cấm Sơn, phía ngoài của Nghi Môn bằng đá hai bên có đặt hai con ngựa bằng đá xanh nguyên khối từ thế kỷ thứ XIII.
Bước qua Nghi Môn có gác chuông làm bằng gỗ lim, các mái lợp ngói mũi hài. Ở đây treo một quả chuông đúc từ năm Chính Hoà thứ 19 (năm 1689). Đối diện với gác chuông là tháp bia và 3 tấm bia dựng hai bên. Tháp bia 4 mặt ghi công đức những người có công cung tiến xây dựng đền.
Con đường chính dẫn vào đền và sân rồng đều được lát đá xanh. Hai bên sân rồng là hai dãy nhà Vọng, nơi xưa kia các cụ bàn việc tế lễ. Từ sân rồng bước theo các bậc đá (tam cấp- PV) cao hơn 1m là đến Ngũ đại môn (5 cửa lớn), bên trong có 6 hàng cột đá tròn song song đều được chạm khắc nổi long vương chầu vào chính diện. Mặt ngoài các cột đá đều chạm khắc các câu đối bằng chữ Hán. Các xà hiên cũng làm bằng đá, chạm khắc lưỡng long chầu nguyệt.
Các cột trong đền và tường đều được làm bằng những tảng đá xanh nguyên khối và được chạm khắc rất công phu với long, ly, quy, phượng, cá chép hóa rồng, cầm, kỳ, thi, họa... Ngoài ra, kèo được làm bằng gỗ lim và lợp ngói đỏ.
Ông Chu Văn Thim, thủ từ đền Thái Vi, cho biết đền được tu bổ sửa chữa vào năm 2005 với cột và tường được làm toàn bộ bằng đá xanh ở Ninh Bình.
Cũng theo ông Thim, hiện ở gian trung đường thờ Phật hoàng Trần Nhân Tông, chính tẩm (hậu cung) đền Thái Vi thờ đức vua Trần Thái Tông, Trần Thánh Tông, Trần Anh Tông, tướng quân Trần Hưng Đạo, Trần Quang Khải và hoàng hậu Thuận Thiên. Ngoài ra, ở đền Thái Vi còn có khu lăng mộ của vua Trần Thái Tông.
Đền Thái Vi được xếp hạng là di tích lịch sử văn hóa cấp quốc gia vào năm 1994. Lễ hội đền Thái Vi được tổ chức từ ngày 14 đến ngày 17 tháng 3 âm lịch nhằm tưởng nhớ công lao các vua đời đầu nhà Trần.
