Chùa được khởi dựng vào thời Hậu Lê, do một bà phi của Chúa Trịnh phát tâm công đức. Chùa được làm bằng khung sắt, mái đồng, quy mô nhỏ như một khám thờ, nhưng tượng Phật, chuông, khánh bên trong đều được làm bằng đồng. Chùa có tên chữ là "Thiên Trúc Tự" (Chùa Thiên Trúc), năm Canh Thân (1740), triều vua Lê Cảnh Hưng, bão lớn làm đổ chùa, chỉ còn lại dấu tích các hố chôn cột trên mỏm đá. Năm 1930, vị thủ nhang chùa Long Hoa (Uông Bí) có tên là Bùi Thị Mỹ đã tái tạo lại chùa Đồng nhưng lại bằng bê tông và đặt trên mỏm đá vuông ở vị trí chùa cũ. Năm 1931, khắc vào bia đá có nội dung sau: "chùa Thiên Trúc là một danh lam cổ. Tầng trời có chủ. Viên trúc gặp Tăng. Vật lớn theo tạo hoá mà tiêu ma, tâm hướng núi xanh mà bền vững. Năm Canh Ngọ (1930), Phật Như Lai báo cho ta phải trùng tu dấu Phật, tái tạo thiền am. Cho nên, chẳng riêng bồ đào độc đáo mà ánh sáng Tổ nước Nam truyền lại. Trên trời thành tượng, khác nào ánh tuệ mây lành, như bệ trúc ôm, rủ bóng tùng xanh cội bách. Bèn khắc vào đá, tôn sùng vô cùng...".
Năm 1993, ông Nguyễn Sơn Nam, Việt kiều Mỹ cùng với các Phật tử hải ngoại công đức dựng lại ngôi chùa mới bằng đồng, quy mô nhỏ, đặt bên cạnh ngôi chùa bằng bê tông. Năm 2007, dựng một ngôi chùa mới cũng bằng đồng, thay thế ngôi chùa đồng cũ, quy mô rộng hơn.
Từ chùa Hoa Yên lên chùa Đồng có thể đi bộ rẽ phải qua chùa Vân Tiêu, hoặc rẽ trái qua chùa Một Mái, chùa Bảo Sái. Từ chùa Vân Tiêu, Bảo Sái phải đi trên những bậc đá xếp với dốc đá dựng đứng mới lên được khu vực tượng An Kỳ Sinh. Nay có thêm tuyến cáp treo từ khu vực gần chùa Một Mái lên An Kỳ Sinh, nếu đi tuyến này sẽ không qua chùa Bảo Sái, hoặc chùa Vân Tiêu. Khu vực An Kỳ Sinh hiện đang dựng tượng Phật Hoàng Trần Nhân Tông bằng đồng toạ thiền trên đài sen, được làm theo mẫu tượng Phật Trần Nhân Tông thờ trong tháp Tổ Huệ Quang. Từ tượng An Kỳ Sinh, lần lượt qua Bia Phật, Chợ Trời, Cổng Trời rồi mới đến đỉnh cao nhất của núi Yên Tử, nơi có chùa Đồng toạ lạc. Đây là một trong những nơi gắn với cuộc đời và sự nghiệp tu hành của Đệ Nhất Tổ Trúc Lâm Điều Ngự Giác Hoàng Trần Nhân Tông.
Khu vực An Kỳ Sinh thuộc quần thể chùa Đồng. Tại đây có một tượng đá trông giống hình nhà sư đang chắp tay cung kính. Tượng cao 2,4m; bệ đá cao 1m. Tương truyền, ngày xưa núi này có nhiều cây thuốc mọc tự nhiên. Có một đạo sĩ tên là Yên Kỳ Sinh (Còn gọi An Kỳ Sinh) chuyên hái thuốc, luyện thành thuốc trường sinh và tu luyện đạo Tiên. Người đời gọi ông là thầy Yên (Yên Tử) để tỏ lòng tôn kính. Về sau, ông chết hoá thành tượng đá trên đỉnh núi.
Từ An Kỳ Sinh đi một đoạn tới Chợ Trời rộng chừng vài mẫu, hoa trúc che phủ. Có những tảng đá bằng phẳng nằm dốc nghiêng, có những tảng đá khổng lồ dựng đứng như thể ngăn đường, khiến người đi phải luồn qua khe đá. Người ta đã khéo đặt cho nơi này là Cổng Trời, nơi bắt đầu vào thế giới Trời Phật. Cổng Trời từ hai tảng đá đặt gần nhau, chỉ chừa một lối vừa một người đi lọt. Phía dưới Cổng Trời có một phiến đá mỏng cao hơn 5m, bề rộng phía dưới chừng 2m, nhìn chính diện giống như cái oản khổng lồ dâng cúng Phật, trên khắc chữ Hán được gọi là Bia Phật. Mặt trước của bia có bốn chữ Hán lớn (viết theo chiều dọc), ba chữ trên mờ, chỉ đọc được chữ "Phật" ghi dưới cùng. Phía dưới chữ "Phật" có bốn chữ Hán (ghi theo chiều ngang) "Tứ tự hồng danh". Dựa vào nghĩa chữ, Thượng Toạ Thích Quảng Tùng, trụ trì chùa Phúc Lâm (Hải Phòng) khẳng định: "Toàn bộ 8 chữ khắc trên bia Phật là A Di Đà Phật tứ tự hồng danh. Đã có một thời pháp môn Tịnh độ ảnh hưởng đến nơi này trước khi ra đời pháp phái Thiền Trúc Lâm Yên Tử". Ở chân bia Phật có vài khóm trúc lơ thơ. Gió đưa cành trúc ngả nghiêng, lá trúc như bàn tay đang chỉ về phía Bia Phật. Một cây cổ thụ đứng kề bia, tán lá xanh rì điểm xuyến một vài bông hoa trắng. Ngắm nhìn bia Phật du khách tự hỏi: "Tấm bia kia thiên tạo hay nhân tạo? Có phải thợ trời đã dựng tấm bia này cũng như dựng tượng An Kỳ Sinh?".
Đặt chân lên đỉnh Yên Tử, hình dung nơi đây là cả một đoá sen khổng lồ. Mỗi phiến đá là một cánh hoa sen nở, chùa Đồng như toạ lạc trên một đài sen. Địa hình ở đây nhìn sang hai bên, bên triền đá dốc nghiêng về phía Đông, phía Tây dốc đứng thành vực thẳm. Lối đi chỉ vừa một bàn chân chênh vênh. Có đoạn đá bày ngổn ngang, người đi như lọt vào trận đồ bát quái, khi ẩn, khi hiện, ẩn khuất trong bãi đá. Từ các khe đá, trúc đùi gà, địa lan dây lạc tiên, cây si đá... mọc ra xoè tán lá xanh rờn, như thể chứng minh sức sống vẫn trường tồn trên sống núi toàn đá. Trải qua thời kỳ kiến tạo vỏ trái đất cách đây hàng triệu năm, đỉnh Yên Sơn đã trở thành một bảo tàng tự nhiên lưu dấu tích sự thay đổi của một thời hồng hoang. Đất sinh đá, thợ Trời dựng bia, người khắc chữ để lưu danh, lưu tích, một sự kết hợp hài hoà giữa ba chủ thể: "Thiên - Địa - Nhân" để thành thắng tích trên đỉnh núi thiêng này.
Chùa Đồng quay hướng Tây Nam, cấu trúc hình chữ "nhất", một gian hai chái, có dáng như một bông hoa sen nở. Chùa được chế tác hoàn toàn bằng đồng, diện tích gần 20m2, chiều cao từ nền chùa đến mái là 3,35m. Các hoạ tiết hoa văn trang trí mang phong cách đời Trần. Toàn bộ công trình chùa, tượng Phật, chuông nặng hơn 70 tấn, được đúc bằng đồng nguyên chất nhập khẩu từ Australia, với khoảng hơn 4000 cấu kiện, trong đó cấu kiện nặng nhất có trọng lượng 1,4 tấn, được lắp đặt trực tiếp trên đỉnh Yên Tử. Do vị trí cheo leo của đỉnh núi Yên Tử quanh năm mây mờ che phủ nên chùa Đồng được thiết kế đặc biệt với những phương pháp tối ưu nhất để chống chịu với thời tiết khắc nghiệt nơi đây. Các hạng mục công trình khác như bậc đá lên xuống, lan can, sân hành lễ, lầu hoá vàng, nhà ghi công đức cũng được tôn tạo, mở rộng.
Chùa mang dáng dấp kiến trúc toà Thượng điện chùa Dâu (Bắc Ninh), có hình khối vuông bốn mái, mái có hình ngói mũi hài, bờ nóc và bờ dải không trang trí, hai đầu bờ nóc cùng bốn đầu đao là hình rồng mang phong cách Trần. Phần mái vươn ra bốn phía tạo thành hiên. Ba mặt của chùa là các ván đồng ghép khít lại với nhau tạo thành bức vách. Phần dưới của bức vách có trang trí dải hoa văn hình lá lật. Mặt trước hiên chùa có hành lang, lan can là các chấn song hình thân trúc. Chùa chỉ có một cửa chính để mở vào trong. Cửa cao 1,6m; rộng 1,6m; ngưỡng cửa cao 0,23m so với mặt nền. Hai cánh cửa đều trang trí hình rồng, mây. Hai gian bên có cửa sổ hình chữ "vạn". Phía trong chùa, phần mái được đỡ bởi hệ thống bốn hàng cột, trong đó có bốn cột cái và 12 cột quân. Cột cái cao 2,42m; chu vi 0,76m. Cột quân cao 1,96m; chu vi 0,63m. Kết cấu vì nóc theo kiểu giá chiêng chồng rường. Toàn bộ tảng kê chân cột đều được trang trí hình cánh sen úp. Nền chùa được chia thành các ô vuông có kích thước 0,3 x 0,3m; trang trí hình hoa cúc.
Toàn bộ chùa Đồng được đặt trên một bệ có khối hình chữ nhật, chiều dài 4,93m, chiều rộng 3,9m. Xung quanh bệ trang trí hoa văn dạng chân quỳ dạ cá trong viền ô hình chữ nhật.
Hệ thống tượng thờ trong chùa gồm một pho tượng Phật Thích Ca và ba pho tượng Tam Tổ Trúc Lâm. Tượng có kích thước cao trung bình từ 0,45 - 0,87m toạ trên đài sen, trong đó ba pho tượng tổ được tạo tác lớn hơn. Tượng Thích Ca trong trang phục áo cà sa, toạ thiền với tư thế kiết già (thế liên hoa toạ). Tượng đệ nhất Tổ (Trần Nhân Tông) mặc áo cà sa, tay đặt úp lên hai đùi, tư thế ngồi "kiết già kiểu cát tường" hay còn gọi là "cát tường toạ" mắt nhìn xuống soi rọi nội tâm. Tượng đệ nhị Tổ (Pháp Loa) và đệ tam Tổ (Huyền Quang) mặc áo cà sa, tư thế ngồi kiết già không lộ bàn chân, tay kết "định ấn". Toàn bộ tượng Tổ ngự trên đài sen đặt trên bệ, trang trí hoa văn hình sen, cúc, thị, lá lật, hoa văn sóng nước.
Phía trước cửa chùa có một bát hương công đồng, một chuông đồng (treo bên phải), cao 1,61m; chu vi thân 2,22m; đường kính 0,85m; một khánh đá (treo bên trái), cao 1,05m; ngang thân 1,05m; dày 0,31m. Cả chuông và khánh đều được treo trên giá đỡ bằng gỗ có khắc chữ Hán và trang trí hoa văn mây rồng sóng nước. Bên phải chùa có nhà ghi công đức, kiến trúc chữ "nhất", ba gian, chiều dài 6,5m; rộng 6,2m. Do địa thế dốc núi nên đã xây thêm tầng hầm phía dưới để làm nơi ở của nhà sư.
Hình thức sinh hoạt văn hoá dân gian lễ hội ở chùa Đồng và Yên Tử nói chung được diễn ra vào ngày mùng 10 tháng Giêng (âm lịch), hội diễn ra trong vòng 3 tháng đầu năm, ngoài ra, vào những ngày rằm, mùng 1 hay ngày giỗ, lễ lớn (lễ Phật Đản, Vu Lan...) các Phật tử từ khắp cả nước về đây tụ hội, hành hương lên chốn Trúc Lâm Yên Tử linh thiêng để tỏ lòng thành kính với Đức Phật.
Chùa Đồng tuy mới được dựng lại trên nền chùa cũ, song những giá trị lịch sử, văn hóa, kiến trúc của các triều đại Trần, Lê, Trịnh, Nguyễn vẫn còn in dấu tại đây, là những di sản văn hoá quý báu cần được giữ gìn, nâng niu và trân trọng. Nơi đây mang dấu ấn về những tháng ngày tu hành của vị vua anh minh đã hai lần lãnh đạo quân dân Đại Việt, lập nên chiến công lừng lẫy ở thế kỷ XIII. Nơi đây còn được coi như cõi Phật, cõi Niết Bàn của thiền phái Trúc Lâm, thể hiện tư tưởng về đời, đạo, về tinh thần dân tộc của đức vua - Phật Hoàng Trần Nhân Tông.