Tương truyền, chùa được xây dựng từ thời Lý Nam Đế (năm 541-547) tại thôn Yên Hoa, gần bờ sông Hồng với tên gọi “Khai Quốc” (nghĩa là mở nước). Dưới triều vua Lý Nhân Tông, Thái hậu Ỷ Lan đã nhiều lần đến chùa cùng các vị cao tăng đàm đạo. Đến đời vua Lê Thái Tông (năm 1434-1442), nhà vua đổi tên chùa là chùa An Quốc. Hàng năm, nước sông Hồng lên to xói mòn làm lở bãi sông. Cho nên, năm 1615 đời vua Lê Kính Tông, dân làng Yên Phụ dời chùa vào gò đất Kim Ngưu (Cá vàng), nơi vào đời Lý và đời Trần, nhiều cung điện đã được xây dựng tại đây như cung Thúy Hoa, điện Hàm Nguyên phục vụ cho việc nghỉ ngơi, thư giãn của nhà vua. Khoảng thế kỷ thứ XVII, chúa Trịnh cho đắp đê Cố Ngự (sau gọi chệch ra thành Cổ Ngư, nay là đường Thanh Niên) nên mới có đường nối đê với đảo Cá vàng. Chùa có lối kiến trúc khác với nhiều chùa: phía trước là đại bái rồi đến hậu cung, sau cùng mới là gác chuông.
Đến đời vua Lê Hy Tông niên hiệu Chính Hòa (1681-1705), chùa được đổi tên là Trấn Quốc. Bức hoành phi đề chữ “Trấn Quốc Tự” treo tại gian đại bái hiện nay được làm từ thời đó. Năm 1821, Vua Minh Mạng đến thăm chùa, ban 20 lạng bạc để tu sửa. Năm 1842, Vua Thiệu Trị đến thăm chùa, ban 1 đồng tiền vàng lớn và 200 quan tiền, cho đổi tên chùa là Trấn Bắc. Nhưng tên chùa Trấn Quốc có từ đời vua Lê Hy Tông đã được người dân quen gọi đến tận ngày nay.
Trong các năm 1624, 1628 và 1639, chùa tiếp tục được trùng tu và mở rộng. Trạng nguyên Nguyễn Xuân Chính đã soạn bài văn bia dựng ở chùa vào năm 1639 về công việc tôn tạo này. Đầu đời Nguyễn, chùa lại được trùng tu, đúc chuông, đắp tượng. Trong một chuyến vi hành đất Thăng Long vào năm 1821, vua Minh Mạng đến viếng chùa và ban 20 lạng bạc để tu sửa. Đến năm 1842, vua Thiệu Trị đến thăm chùa, ban 1 đồng tiền vàng lớn, 200 quan tiền và cho đổi tên thành chùa Trấn Bắc. Nhưng tên chùa Trấn Quốc có từ đời Vua Lê Hy Tông đã được nhân dân quen gọi cho đến ngày nay.
Là một trong những ngôi chùa cổ nhất Việt Nam và là ngôi chùa cổ nhất của Thăng Long Hà Nội với hơn 1500 năm tuổi. Chùa Trấn Quốc nổi tiếng không chỉ bởi vẻ đẹp cổ kính mà còn bởi không gian thoáng mát tươi xanh đã tạo nên một tổng thể kiến trúc, lịch sử văn hóa và thiên nhiên hoàn hảo.
Nằm trên một hòn đảo phía Đông của Hồ Tây, chùa Trần Quốc luôn được xem như một trong những danh thắng bậc nhất ở kinh thành Thăng Long, nay thuộc quận Ba Đình (Hà Nội). Nổi tiếng linh thiêng lại là danh thắng bậc nhất, nên từ xưa chùa Trấn Quốc thường được các vua chúa ngự giá đến vãng cảnh và cúng lễ vào những ngày rằm, lễ Tết. Trải qua rất nhiều đợt trùng tu, diện mạo của chùa có nhiều thay đổi. Song quy mô và kiến trúc còn giữ được đến nay là kết quả của đợt trùng tu năm 1815 với một diện tích khá rộng khoảng hơn 3.000m2, gồm một vườn tháp phía mặt tiền, nhà tổ, nhà khách, hai dãy hành lang tả hữu và thượng điện.
Ngôi chùa cổ kính này hiện còn lưu giữ khá nhiều hiện vật có giá trị như bộ tượng thờ ở thượng điện. Đây là những pho tượng được tạo tác tỉ mỉ, trau chuốt và mang nét đẹp đặc trưng riêng. Đáng nói nhất là pho tượng Thích Ca nhập Niết bàn được đánh giá là bức tượng Niết bàn đẹp ở Việt Nam. Chùa cũng có nhiều bia, cổ nhất là tấm bia dựng năm 1639 do trạng nguyên Nguyễn Xuân Chính soạn, nội dung ghi lại lịch sử đại tu chùa vào chính năm này. Trong khuôn viên của chùa có cây bồ đề gần 60 năm tuổi do Tổng thống Ấn Độ tặng năm 1959 nhân chuyến thăm chính thức của Tổng thống tại Việt Nam.
Đánh giá cao những giá trị lịch sử, tôn giáo cũng như cảnh quan của ngôi chùa, trước kia, Viện Viễn Đông Bác Cổ đã từng xếp chùa Trấn Quốc là công trình lịch sử thứ 10 trong Toàn xứ Đông Dương. Tháng 4 năm 1962, chùa Trấn Quốc được Nhà nước xếp hạng Di tích lịch sử văn hóa cấp quốc gia. Cuối năm 2003, chùa Trần Quốc có thêm một công trình ý nghĩa đó là bảo tháp lục độ đài sen. Bảo tháp được đặt trong khuôn viên của chùa gần cây bồ đề với ý nghĩa: Hoa sen tượng trưng cho Phật, như tính sinh ở dưới bùn mà không bị ô uế, còn bồ đề là tri giác, là trí tuệ vô thượng. Từ ngày ngôi bảo tháp được khánh thành, chùa Trấn Quốc đã đẹp lại càng trở nên ý nghĩa hơn.