Trước đây nơi này là trang Nông Vụ Thượng, tổng Đặng Xá, huyện Gia Lâm, phủ Thuận Thành, tỉnh Bắc Ninh. Năm 1945, Thượng Đồng thuộc xã kháng chiến có tên gọi là Trường Chinh, sau sáp nhập với Nông Vụ Đông thành thôn Thượng Đồng, xã Hội Xá, huyện Gia Lâm, ngoại thành Hà Nội.
Cũng như bao ngôi chùa khác ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, chùa Thượng Đồng được dựng để thờ phật, một môn phái tôn giáo du nhập vào nước ta từ khá sớm và được phát triển qua các thời kỳ lịch sử.
Nội dung 3 tấm bia cổ rất quý có niên đại Khánh Đức năm thứ 5 (1653), Chính Hoà năm thứ 14 (1693) và Chính Hoà năm thứ 17 (1696) hiện còn lưu giữ tại chùa đã cho chúng ta biết trước đây chùa Thượng Đồng là một ngôi chùa cổ, có quý mô bề thế, to đẹp ở trong vùng, được ra đời vào đầu thế kỷ XVII. Qua những thăng trầm của lịch sử mà kiến trúc gốc của chùa đã bị mai một và đã được tu sửa nhiều lần. Trên thượng lương của toà Thượng điện hiện vẫn còn lưu lại thông tin cho biết kiến trúc hiện nay của chùa là sản phẩm của đợt trùng tu lớn vào năm Canh Tuất niên hiệu Duy Tân (1910).
Chùa Thượng Đồng nằm cạnh bờ đê sông Đuống liền với khu dân cư phía bắc của phường, trên cùng một thửa đất với đình Thượng Đồng. Trước đây, vì nhiều lý do, mà chùa Thượng Đồng còn kiêm thêm chức năng của ngôi đình với việc thờ Thành hoàng làng là Trịnh Chính cùng 2 người em đã có công đánh giặc giữ nước thời Lý Nam Đế. Vì vậy có thời kỳ ở chùa đã hình thành tín ngưỡng thờ “tiền Thần hậu Phật”. Đến năm 2002, khi đình Thượng Đồng được khôi phục lại thì chùa chỉ thờ Phật, thờ Mẫu và thờ Tổ như bao ngôi chùa làng khác.
Chùa Thượng Đồng hiện nay được làm quay hướng đông – nam với bố cục mặt bằng gồm: Gác chuông, sân, Tiền đường, Thượng điện, phía sau là Nhà Tổ.
Gác chuông chùa có 1 gian được làm 2 tầng thấp với 4 mái đao cong. Tầng trên treo quả chuông đồng đúc năm Thiệu Trị thứ 5 (1845) có Bài minh ghi việc đúc chuông cùng danh tính những người công đức đúc chuông. Tầng dưới gác chuông cũng chính là công chùa, có tường xây quây các cột trổ cửa ra vào thông trước sau.
Theo một lối nhỏ, 2 bên là vườn cây, là đến sân chùa. Từ sân qua 2 bậc gạch là bước vào hiên của chùa và cũng qua 2 bậc nữa là vào đến Tiền đường.
Tiền đường chùa Thượng Đồng gồm 5 gian 2 chái được làm kiểu tường hồi bít đốc tay ngai, mái lợp ngói mũi hài, nền lát gạch, 2 hồi có 2 trụ biểu thấp được trang trí đơn giản. Hiên chùa chạy suốt 3 gian giữa với hàng cột tròn xây bằng gạch có tạo chân đế cùng hệ thống cửa bức bàn ghép bậu gỗ trên dưới, trên cùng làm chấn song. Trên thân xà 2 vì hệ hiên có trang trí hoa văn hình triện, cúc dây. 2 gian bên và 2 chái được xây tường kín có trổ cửa sổ hình chữ thọ để lấy ánh sáng.
Kết cấu Tiền đường được làm đơn giản, chủ yếu là bào trơn đóng bén với những gờ chỉ soi. 2 cột cái đỡ bộ vì nóc gian giữa làm theo kiểu giá chiêng. Còn gian gồm chiếc kẻ ngắn gác lên đầu cột quân ở phía trước, phía sau nối liền với toà Thượng điện. Các vì khác không có cột cái, quá giang nối tường hậu với cột quân liền tường trở thành dạng xà lòng. Vì kèo hồi không có, nên hệ thống hoành, xà gác hẳn lên đầu tường hồi.
Thượng điện chùa Thượng Đồng làm kiểu bít đốc, mái lợp ngói ta, nền lát gạch. Gian đầu toà này nằm trong lòng Tiền đường, vì vậy có 2 cột phụ đỡ kẻ xối, làm chỗ tì cho màng xối. Bộ vì đầu của Thượng điện có trang trí hình triện, cúc dây. Dọc Thượng điện có 2 hàng 4 cột chạy suốt toà Tam bảo. Các cột gánh xà chồng và kèo đỡ mái, có 1 vì kèo áp hồi, 2 bên cột có xà chồng gối lên tường. Hiện nay giữa Tiền đường và Thượng điện có xây 1 bức tường, bổ trụ, cuốn 3 cửa, vừa để đỡ mái thay vì kèo, vừa ngăn cách giữa 2 không gian. Bức tường này được đắp, vẽ, ghép gốm trang trí đề tài tứ linh (Long, Ly, Quy, Phượng) , tứ quý (tùng, cúc, trúc, mai), lưỡng Long chầu nguyệt, cuốn thư, chính giữa có câu “Pháp trung vương”.
Phía sau kiến trúc chính của chùa là Nhà Tổ, mới được làm trong thời gian gần đây với 5 gian kiểu bít đốc mái lợp ngói ta, có kết cấu bê tông khung gỗ, 2 hồi có trụ biểu.
Tồn tại đến ngày nay, chùa vẫn còn bảo lưu được một hệ thống di vật có giá trị, đa dạng về chất liệu, phong phú về hình thức, sâu sắc về nội dung, có niên đại trải dài từ thời Lê đến thời Nguyễn như: bia đá, chuông đồng, câu đối hoành phi cùng nhiều đồ thờ khác. Chùa Thượng Đồng còn như một bảo tàng điêu khắc nhỏ với các bộ tượng Phật đáng lưu tâm, đó là: tượng 2 vị Hộ Pháp (Khuyến Thiện, Trừng ác) nghệ thuật thế kỷ XX; tượng Thánh Tăng cùng 2 trợ thủ Diện Nhiên, Đại Sỹ nghệ thuật thế kỷ XIX; tượng Đức ông cùng Già Lam, Chân Tế nghệ thuật thế kỷ XX; tượng Tam thế Phật (quá khứ, hiện tại, vị lai) nghệ thuật thế kỷ XX; tượng A Di Đà ngồi kiết giàn trên đài sen, tay kết ấn, miệng mỉm cười, mắt khép, tai xuôi dài, cổ cao 3 ngấn, nghệ thuật cuối thế kỷ XVIII đầu thế kỷ XIX; tượng Văn Thù và Phổ Hiền cưỡi Sư tử xanh, Voi trắng nghệ thuật thế kỷ XIX; tượng Niêm Hoa cùng 2 vị Quan âm nghệ thuật thế kỷ XX; tượng Quan âm Chuẩn Đề và 2 vị Bồ Tát nghệ thuật thế kỷ XX; tượng Ngọc Hoàng cùng Nam Tào, Bắc Đẩu nghệ thuật thế kỷ XIX; toà Cửu Long và Thích Ca sơ sinh nghệ thuật thế kỷ XIX; tượng Quan âm Tống tử nghệ thuật thế kỷ XIX. . .
Từ xa xưa, chùa Thượng Đồng đã là một bộ phận không thể thiếu – được của cảnh quan làng xóm thanh bình, là nơi gắn bó mật thiết với đời sống tinh thần của bao thế hệ người dân nơi đây. Đồng thời, ngôi chùa cũng là một địa điểm diễn ra những sự kiện gắn với lịch sử cách mạng ở địa phương như: tháng 3-1945, Hội nghị Mặt trận Việt Minh thôn, xã đã họp bàn về việc chuẩn bị Tổng khởi nghĩa. Ngày 19-8-1945, tại cây đa trước chùa, tự vệ chiến đấu và quần chúng nhân dân toàn tổng Đặng Xá đã tập trung để giành lại chính quyền huyện lỵ Gia Lâm. Chùa cũng là nơi du kích thôn và bộ đội địa phương thường xuyên ẩn náu, hoạt động phá hoại vùng địch hậu trong thời kỳ kháng chiến chống thực dân Pháp. Trong những năm kháng chiến chống Mỹ, cứu nước, chùa là nơi đặt hầm hậu phẫu, điều trị của Viện Quân y 108…
Với những giá trị nêu trên mà cụm di tích đình, chùa Thượng Đồng đã được Bộ Văn hóa – Thông tin ra quyết định xếp hạng năm 1993 để đến hôm nay cụm di tích này vẫn là một nét đẹp văn hóa của quận Long Biên đang trên đường đổi mới.