Theo tư liệu thành văn, vào năm Bảo Đại thứ 3 (1928) quy mô hiện nay của ngôi đền này thuộc thời Nguyễn. Đền thờ có kết cấu chữ “đinh”, gồm Tiền tế và Hậu cung. Toà Tiền tế xây gạch, mái lợp ngói ri cổ. Vào bên trong các bộ vì được làm theo kiểu “giá chiêng”.

Nền hai gian bên được xây cao hơn gian giữa, dùng làm chỗ ngồi cho các kỳ mục, chức sắc họp vào các kỳ diễn ra lễ hội. Nối từ gian giữa vào Hậu cung là một khoảng sân lọng nhỏ, Hậu cung được làm theo kiểu “nội tự ngoại khách”, ngoài hiên bài trí một nhang án kiểu chân quỳ dạ cá.

Nhang án này được các nghệ nhân chạm trổ khá công phu, tỉ mỉ mang phong cách thời Nguyễn. Các bộ vì bên trong toà Hậu cung được làm theo hai kiểu thức khác nhau. Hai bộ vì trước được làm theo kiểu “giá chiêng”, hai bộ vì áp hồi được làm theo kiểu “vì kèo” truyền thống.

Câu đối trong đền viết:

Công hiển Trưng triều truyền Bắc sử

Danh mưu cổ miếu hách Tây thiên.

Dịch nghĩa:

Công rạng triều Trưng truyền sử Bắc

Tiếng lưu cổ vọng trời Tây.

Trong Hậu cung được đặt một khám thờ lớn, cao 180cm, rộng 130cm, lòng sâu 120cm. Bên trong khám đặt long ngai, bài vị Thành hoàng làng cao 120cm, rộng 75cm. Tay ngai tạo hình đầu rồng hướng về phía trước, đế ngai chạm hổ phù. Phía trước ngại là một sập thờ quận công Lê Bình.

Thần phả còn ghi, đức bản thổ Thành hoàng, hiệu là Hải Diệu, vốn người phủ Hà Trung, đạo Thanh Hoa (tức tỉnh Thanh Hoá ngày nay). Cha ngài là Nguyễn Công Ảnh đang làm tri huyện thì bị Thái thú Tô Định giết hại.

Con trai là Hải Diệu bèn tập hợp trai tráng trong vùng, luyện rèn võ nghệ. Nghe tin nhị vua Hai Bà Trưng phất cờ khởi nghĩa, ông bèn đến tụ nghĩa tại Hát Môn và được nhị vua Hai Bà trọng dụng. Sau khi ông mất, nhân dân thôn Cổ Ngõa lập đền thờ phụng.

Cạnh đền Cổ Ngõa còn một ngôi miếu nhỏ do nhân dân trong thôn dựng để thờ bà Lê Thị Hạnh - thân mẫu của đức thánh. Ngoài ra, trong đền còn phối thờ quận công Lê Bình, người thời Lê đã có công giúp dân ngăn ngừa lũ lụt, xây dựng xóm thôn.

Đền Cổ Ngoã còn lưu giữ nhiều di vật quý như 6 đạo sắc phong, trong đó đạo sớm nhất có niên hiệu Cảnh Hưng thứ 44 (1783), 2 bức hoành phi, 2 đối câu đối, 1 cuốn thần phả. Tất cả đều ca ngợi hành trạng và công lao của Đức Thành hoàng bản thổ.

Đền đã được Bộ văn hoá và Thông tin xếp hạng di tích kiến trúc nghệ thuật năm 1990.