Căn cứ các tư liệu Hán Nôm còn lưu giữ tại di tích và theo truyền ngôn của các cụ cao niên thì chùa Nễ Châu được khởi dựng vào thời Tiền Lê với quy mô nhỏ. Khi Lê Hoàn và Giới Quốc Công đi qua đây, thấy ngôi chùa đẹp nhưng lại đang bị đổ nát, nên đã cho khởi công xây dựng một ngôi chùa mới trên nền đất của làng Phương Cái (tức chùa Nễ Châu bây giờ). Khi chùa được xây dựng xong, làng Phương Cái không có đủ tiền để trả công thợ. Lúc đó, Lê Hoàn mới truyền rằng: Nếu làng nào đủ tiền trả công thợ thì chùa thuộc về làng đó. Bấy giờ, dân làng Nễ Châu nhờ có sự giúp đỡ của gia đình bà Nguyễn Thị Ngọc Thanh đã có đủ vàng, bạc để hồi công thợ, nên chùa thuộc về phạm vi làng Nễ Châu. Có lẽ cũng vì thế trong dân gian truyền tụng câu ca:
          “Bao giờ Phương Cái có Chùa
          Hương Giang có giếng thì vua lại về”

          (Hương Giang là vùng đất nằm cạnh làng Nễ Châu, ngày nay là làng Lương Điền).
          Sau đó, ngôi chùa di dời về vị trí như hiện nay, cách ngôi chùa cũ khoảng 100m về phía Đông. Trải qua nhiều lần trùng tu, tôn tạo (gần đây nhất là vào năm 1926, 2005), ngôi chùa hiện nay có kết cấu tổng thể kiểu “Nội Công ngoại Quốc”, gồm các hạng mục: Tam quan, Gác chuông, Tiền đường, Thượng điện, nhà Tổ, hai dãy hành lang,… mang phong cách kiến trúc Lê - Nguyễn đan xen.
          - Tam quan: Tam quan chùa Nễ Châu nằm sát đường Phố Hiến. Đây là hạng mục được phục dựng vào năm 2005 theo kiểu bốn mái truyền thống. Mái lợp ngói mũi hài. Các đao, guột cong hình rồng, kết cấu tàu mái kiểu “tàu đao lá mái”. Bờ nóc đắp “lưỡng long chầu nhật”, tất cả các vì góc đều làm kiểu chồng rường. Phía trên cửa chính đề 3 chữ Hán “Thụy Ứng tự”.
          - Gác chuông: Phía sau Tam quan là gác chuông được phục dựng vào năm 2000, có kiến trúc hai tầng tám mái. Tầng hai gác chuông treo chuông đồng được đúc năm Minh Mệnh Canh Dần (1820), trước có treo khánh đồng nhưng nay khánh đồng đã được chuyển vào Tiền đường.
          - Tiền đường: Toà này gồm 05 gian 02 chái, dài 15m; rộng 5m. Mái chùa lợp ngói mũi, chính giữa đường bờ nóc đắp nổi 3 chữ  Hán “Thụy Ứng tự” (chùa Thụy Ứng). Toàn bộ hệ thống bẩy hiên được chạm khắc rồng và hoa lá cách điệu. Kết cấu kiến trúc toà Tiền đường kiểu vì kèo đơn giản. Trên thượng lương ghi rõ năm trùng tu “Bảo đại nguyên niên (1926)”. Trên xà dọc 03 gian giữa trang trí 03 bức ván gió chạm khắc hình hình tượng hổ vờn mặt trời, rồng, hươu,… mềm mại và tinh xảo. Các bức ván gió đã được đánh giá cao về nghệ thuật điêu khắc, hoa văn trang trí mang dấu ấn mỹ thuật thời Hậu Lê.
          - Thượng điện: Gồm 07 gian với chiều dài 12m, rộng 5m. Kết cấu các bộ vì được làm theo kiểu phần dưới kẻ chuyền, phần trên kèo cầu giống như ngoài Tiền đường với nghệ thuật chạm khắc gỗ đơn giản, chủ yếu là bào trơn. Hệ thống tượng thờ tại toà Thượng điện rất đa dạng và phong phú. Trong đó, có giá trị hơn cả là pho tượng Tuyết Sơn, đây là pho tượng gỗ cổ có niên đại từ thời Hậu Lê. Tượng được tạo tác trong tư thế ngồi suy tư, hai tay bó gối với thân hình gầy guộc, trán và chân tay nổi rõ những đường gân. Tượng Tuyết Sơn là hiện thân của Đức Phật Thích Ca giai đoạn tu trên núi Tuyết Sơn. Hiện nay, pho tượng Tuyết Sơn cổ đang được lưu giữ tại Bảo Tàng tỉnh Hưng Yên còn pho Tuyết Sơn ở chùa chỉ là phiên bản phục chế.
          - Hành lang: Là hai dãy nhà chạy song song ở hai bên Thượng điện chùa. Trước kia vào thời kỳ hưng thịnh của Phố Hiến, hai dãy hành lang này bài trí hàng trăm pho tượng với đầy đủ sự tích của nhà Phật như: tượng Bát Bộ Kim Cương, Thập Bát La Hán, ngoài ra còn có tượng Bà La Sát, Ngưu Ma Vương và 4 thầy trò Đường Tăng trên đường sang Tây Trúc lấy kinh. Trải qua thời gian, chùa chỉ còn lại dãy hành lang bên trái, hệ thống tượng thờ không còn nữa. Đến năm 2005, hai dãy hành lang được phục dựng, trùng tu lại, mỗi dãy 7 gian, làm nơi nghỉ chân, sửa soạn để nhân dân vào lễ phật.
          Phía trước chùa Nễ Châu là đền thờ bà Nguyễn Thị Ngọc Thanh. Ngôi đền được xây dựng ngay sau khi bà mất. Trải qua nhiều lần trùng tu, tôn tạo hiện nay đền có quy mô kiến trúc kiểu chữ Đinh gồm 03 gian Tiền tế và 02 gian Hậu cung, các hạng mục mang đậm phong cách kiến trúc, mỹ thuật thời Nguyễn.