Kiến trúc tổng quan của đền Ngọc Sơn thể hiện khá rõ nét sự hòa hợp về tôn giáo và văn hiến qua ngàn năm lịch sử. Đó là một điển hình về không gian và kiến trúc tuyệt tác. Đền Ngọc Sơn được xây dựng theo kiến trúc hình chữ Tam. Bên trong đền có các câu đối, hoành phi và vật bài trí vô cùng linh thiêng. Kiến trúc đền Ngọc Sơn thể hiện rõ nét sự hòa hợp về tôn giáo qua nhiều năm tháng lịch sử.
Cùng với Đền Ngọc Sơn, Tháp Bút – Đài Nghiên bên hồ Hoàn Kiếm trước cửa đền Ngọc Sơn cũng đều là những biểu tượng văn hóa, những công trình kiến trúc độc đáo, nổi tiếng của Thăng Long từ nhiều đời nay.
Dấu vết của ngàn năm lịch sử văn hiến dân Việt như được ghim đậm trên từng bờ tường, từng mái ngói nơi đây, cùng với chiếc cầu Thê Húc cong cong bắc ngang từ bờ đến cổng đền Ngọc Sơn khiến khu quần thể danh lam thắng này vừa cổ kính, lộng lẫy, lại vừa lạ lẫm nhưng cũng rất thân thuộc trong dáng hình Hà Nội từ những năm xưa cũ.
• Tháp bút Đền Ngọc Sơn
Trên núi Ngọc Bội, trước khi vào cổng đền, năm 1865 danh sĩ Nguyễn Văn Siêu đã cho xây một tháp đá ngoài cổng cao 9 mét, đỉnh tháp là ngọn bút lông gọi là Tháp Bút
Tháp được dựng trên ngọn núi do đá xếp, đường kính 12m, cao 4m. Tháp vuông có năm tầng, cao 28m. Phần thân tháp, Nguyễn Siêu tạc ba chữ “Tả Thiên Thanh” với ý nghĩa là “viết lên trời xanh” theo chiều dọc.
• Đài Nghiên Đền Ngọc Sơn
Qua Tháp Bút, đặt ngay tại khu cổng chính là một Đài Nghiên bằng đá. Trên đỉnh Đài Nghiên có một viên đá được sử dụng để pha mực tàu viết chữ nho từ ngày xưa với hình nửa quả đào. Phía dưới là ba con cóc được khắc nguyên tảng, liền khối với bệ gạch, ba con cóc cùng há miệng như đang cùng kề, cùng nói điều gì hân hoan sau những ngày ngậm miệng.
Mặt trước Đài Nghiên được khắc một vế đối “Kịch thiên bút thế thạch phong cao”, nghĩa là thế bút chống trời, cao như ngọn núi đá. Câu đối chính là khí phách độc lập tự chủ, khẳng định địa thế “tri thức” của người Việt ngàn đời.
Trên Nghiên còn khắc một bài minh, nói rõ ý nghĩa việc dựng Đài Nghiên gồm 64 chữ! Ngoài ra, ở hai bên trái và phải của Đài Nghiên, có Bảng Rồng và Bảng Hổ, tượng trưng cho hai bảng lưu danh những người đỗ đạt cao từ xa xưa.
Tháp Bút – Đài Nghiên là 2 trong 3 biểu tượng nằm trong quần thể Đền Ngọc Sơn (bao gồm cả Đình Trấn Ba) biểu trưng cho một nền văn hiến, văn chương của dân tộc.