Sử sách ghi chép, đầu thế kỷ XII, vua Lý Nhân Tông trên đường Ngự du qua Đọi Sơn thấy cảnh sắc ngôi chùa đã bị đổ nát. Qua lời tâu bày của quần thần và cảm xúc trước cảnh sắc hữu tình của tạo hóa, vua Lý Nhân Tông đã cho xây dựng chùa và cây tháp Sùng Thiện Diên Linh năm Hội Tường Đại Khánh thứ 9 (năm 1118), khởi công vào tháng 5 đến mùa thu Thiên Phù Duệ Vũ thứ 2 (năm 1121) thì hoàn thành. Sự kiện này đã được sử sách, đặc biệt là bia ký ghi chép “xác định phương hướng: mặt chùa trông ra sông Kinh, gió lặng mặt sông như lụa biếc dải ra; lưng chùa quay về núi Điệp, mưa tan dáng núi như gấm xanh thêm sáng” với cây bảo tháp Sùng Thiện Diên Linh và các hạng mục kiến trúc khác.
Tấm bia bảo tháp Sùng Thiện Diên Linh thời Lý được tạo tác năm 1121. Bia là hiện vật độc bản, có kích thước lớn nhất thời Lý. Theo các nhà nghiên cứu, tấm bia Sùng Thiện Diên Linh độc đáo bởi hai phần trang trí: Thứ nhất: Trán bia, diềm bia, sườn bia đều thống nhất chạm hình rồng thời Lý theo bố cục đối xứng chầu lá đề, uốn lượn theo dáng hình lá đề, lượn tròn trong hình thoi… ở dưới chân bia chạm hình sóng nước; Thứ hai: đế bia chạm hai đôi rồng cuộn xoắn vào nhau.
Đến nay, hình thức đế bia này chỉ thấy duy nhất ở bia Sùng Thiện Diên Linh. Về văn bia, mặt trước văn bia có 4.257 chữ Hán và có thể chia làm 3 phần. Phần một: Ca ngợi Phật Thích Ca và giáo lý sâu sắc huyền diệu của đạo Phật; Phần hai: Ca ngợi vua Lý Nhân Tông: Từ điềm thiêng lúc đầu thai khi ra đời, vẻ trang nghiêm, tầm hiểu biết tài nghệ sáng chế rùa vàng, tài chế tạo, công vun đắp thắng duyên, việc dựng chùa Phật, uy lực thần vũ, sự lo toan nhiệm màu cho đến những biểu hiện về một thời đại thịnh trị của nhà vua. Văn bia cũng ca ngợi Thái úy Lý Thường Kiệt - một nhân vật lịch sử nổi tiếng thời Lý.
Đặc biệt, văn bia cung cấp thông tin hiếm quý về Hội đèn quảng chiếu bảy ngày bảy đêm ở kinh thành Thăng Long thời Lý, múa rối nước, nghi lễ mật giáo, sửa chùa Diên Hựu (chùa Một Cột) và các trò chơi giải trí dân gian và cung đình; Phần ba: Kể lại quá trình xây dựng tháp Sùng Thiện Diên Linh cùng ngôi chùa và tác dụng to lớn của phúc quả này.
Mặt sau bia khắc năm đoạn văn ở 4 niên đại: Ngày 6 đầu tháng 7 năm Tân Sửu, niên hiệu Thiên Phù Duệ Vũ thứ 2 (năm 1121- tức 20/8/1121). Năm Quang Thuận thứ 8 (năm 1467). Tiết Đoan dương, ngày mồng 5 tháng 5 năm Tân Mão, niên hiệu Hưng Trị thứ 4 đời vua thứ 5 nhà Mạc (năm 1591). Ngày mồng 7 tháng 10 năm thứ 19, niên hiệu Chính Hòa (năm 1698) đời vua Lê Hy Tông.
Cùng với đó, Bia bảo tháp Sùng Thiện Diên Linh có nhiều giá trị lớn cho việc nghiên cứu lịch sử, văn hóa thời Lý. Toàn bộ bia là một tác phẩm nghệ thuật điêu khắc hoàn hảo, phản ánh mỹ thuật và kỹ thuật thời Lý đạt đến đỉnh cao rực rỡ. Bài minh trên bia phản ánh văn chương thời Lý với lối văn biền ngẫu cầu kỳ, phức tạp, mang đặc trưng của văn chương thời Lý.
Nội dung minh văn phản ánh các đức tính cao cả, tốt đẹp của vua Lý Nhân Tông, phản ánh tinh thần sùng Phật của Đại Việt thời Lý, phản ánh một nghi lễ và lễ hội đặc sắc của thời Lý. Đây cũng là văn bản gốc duy nhất còn lại của thời Lý trong đó có nói đôi chút về Kinh đô Thăng Long như Đoan Môn, Cấm Thành, chùa Diên Hựu (chùa Một Cột). Mình văn bia còn trực tiếp miêu tả tháp Sùng Thiện Diên Linh với nhiều chi tiết đặc sắc mà ngày nay ta không còn thấy được. Điều này giúp ích rất nhiều cho việc nghiên cứu tháp Lý, Phật giáo Lý…
Trải qua các thời Lê Sơ, Mạc, Nguyễn, chùa Đọi Sơn đã nhiều lần được khôi phục. Lần tu bổ lớn nhất vào thời Nguyễn, quy mô chùa trên 100 gian lớn nhỏ, kiến trúc theo kiểu “nội công, ngoại quốc”. Tháng 3 năm 1947, chùa Đọi Sơn thêm một lần bị chiến tranh phá hủy. Sau năm 1954, chính quyền và nhân dân xã Đọi Sơn đã tiến hành tu bổ, lần lớn nhất vào năm 1958 đã hoàn tất những công trình chính tại đây. Năm 1992, chùa Đọi Sơn được Bộ Văn hóa Thông tin (nay là Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch) công nhận là Di tích lịch sử văn hóa cấp quốc gia. Năm 2018, chùa Đọi Sơn được Thủ tướng Chính phủ quyết định xếp hạng là Di tích quốc gia đặc biệt.
Đến nay, trải qua bao biến cố của lịch sử, dẫu chùa xưa tháp cũ không còn, nhưng kết quả khai quật khảo cổ tại chùa Đọi Sơn đã phát lộ những dấu tích kiến trúc với những lớp nền móng, kè đá cùng hàng nghìn cổ vật thời Lý, như: gạch ngói, chân tảng, xà dầm, con giống... Đặc biệt, tấm bia Sùng Thiện Diên Linh, đã được Thủ tướng Chính phủ công nhận là Bảo vật quốc gia cùng sáu pho tượng Kim Cương chạm khắc bằng đá nguyên khối là những đại diện tiêu biểu của nghệ thuật điêu khắc thời Lý.
