Ngôi đền trước kia thuộc làng Đồng Nhân, huyện Thanh Trì, tỉnh Hà Đông, nay ở 12  phố Hương Viên, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội. Đền Đồng Nhân là ngôi đền thờ Hai Bà nổi tiếng tại kinh đô Thăng Long. Sự ra đời của ngôi đền đã từng được kể, được ghi lại: …“Vào đời Lý Anh Tông, niên hiệu Đại Đinh 3 (1142), có pho tượng đá nổi trên dòng Nhị Hà, tỏa sáng cả một đoạn sông, thuyền bè không dám đến gần.

Vua Anh Tông biết chuyện bèn sai người ra đón rước nhưng không được. Theo ý các bô lão, người ta lấy vải đỏ, làm lễ, buộc vào tượng rồi rước vào: một pho tượng cao lớn, đầu đội mũ trụ, thân mặc áo giáp, hai tay chỉ lên trời, một chân quì, một chân ngã ra..." và ngôi đền được dựng ở bãi Đồng Nhân, trên bờ sông Hồng vào năm Đại Đinh 3 (1142) đời Lý Anh Tông.

Do ở vùng đất bãi sông luôn bị sói lở, nên dân làng Đồng Nhân đã phải dời ngôi đền tới khu Võ Sở cũ của triều Lê ở thôn Hương Viên (tức địa điểm hiện nay) vào năm Gia Long 18 (1819). Đền Hai Bà còn được gọi theo tên địa danh là đền Đồng Nhân. Đền là trung tâm của quần thể di tích với đình thờ Thành hoàng làng và chùa thờ Phật.

Đền Đồng Nhân còn gọi là đền Hai Bà Trưng và đền Trưng Nữ Vương. Đền được xây dựng vào năm 1142 dưới triều vua Lý Anh Tông, Hai bà quê ở Mê Linh, đất Phong Châu. Chị là Trưng Trắc, em là Trưng Nhị. Lúc bấy giờ Thái thú nhà Hán là Tô Định tàn bạo, giết hại Thi Sách, là chồng của bà Trưng Trắc. Hai bà phất cờ nổi dậy và được dân chúng ở các nơi cùng hưởng ứng đánh đuổi quân Tô Định lấy được 65 thành trì ở Lĩnh Nam, tự xưng làm vua. Về sau, nhà Hán sai tướng là Mã Viện sang đàn áp, hai bà chống không nổi phải rút về giữ đất Cẩm Khê, sau cùng lên núi Thường Sơn và tự vẫn. Một thuyết khác nói rằng Hai Bà cùng nhảy xuống sông Hát Giang tự vẫn, sau đó khi thiêng hóa thành hai tảng đá trắng trôi trên sông Hồng về bến bãi Đồng Nhân, đêm thường phát sáng rực rỡ. Dân làng thấy vậy, bèn lấy vải đỏ rước tượng bà và lập đền thờ Hai Bà ở ngay bãi Đồng Nhân ven sông. Tương truyền tượng đầu đội mũ trụ, thân mặc áo giáp, hai tay giơ cao chỉ lên trời. Vua đã phát hai đôi ngà trang trí và hai pho tượng voi để thờ Hai Bà.

Đến thời Chính Hòa (Lê Hi Tông 1676 – 1705) có sắc phong “Lĩnh Nam liệt Khái, thạch hóa chân dung” (nghĩa là đấng nghĩa liệt khảng khái đất Lĩnh Nam dung mạo kết tinh thành đá).

 Do bãi sông bị lở dần, đền có nguy cơ bị đổ, dân phải dời về xã Đại Từ. Đến năm Gia Long 18 (1819) đền mới được chuyển vào tại Hương Viên, trên nền khu Võ Sở (thời Lê dùng làm nơi luyện và thi võ). Dân làng Đồng Nhân ở ngoài bãi cũng di chuyển vào đó và thờ cúng Hai Bà. 

Trước mặt đền có hồ bán nguyệt, đường vào qua 4 cột trụ gạch đồ sộ, cây cối sum sê, bên trái là sân rộng, dưới bóng đa có tấm bia đá đặt trên lưng rùa. Khu đền thờ hiện nay được chia làm hai phần: đền thờ Hai Bà và chùa thờ Phật.

Đền kiến trúc theo kiểu "nội Công ngoại Quốc", gồm tiền tế, đại bái và hậu cung. Tiền tế 7 gian. Trong tiền tế được bày 2 voi gỗ sơn đen, ngà của voi là ngà thật. Đây là 2 voi tượng trưng cho voi của Hai Bà cầm quân ra trận. Bên cạnh đó là các bức hoành phi, câu đối ca ngợi sự nghiệp cùng công đức của Hai Bà. Tòa bái đường được đặt ngai thờ và 1 tấm khảm thể hiện hình ảnh Hai Bà cưỡi voi đánh giặc.

Bên cạnh đó có nhang án, hoành phi, câu đối... Trong hậu cung đặt tượng Hai Bà cùng 6 tượng nữ tướng dàn hai bên, trong đó là các tướng Lê Chân, Hòa Hoàng, Thiên Nga, Nguyễn Đào Nương, Phùng Thị Chính và Bát nạn Công chúa Phạm Thị Côn. Hai Bà và các tướng lĩnh được thờ như nhiều nơi trên đất nước như ở đền thờ Hai Bà ở Hát Môn (huyện Phúc Thọ), ở Phụng Công (Hưng Yên), ở Mê Linh (huyện Mê Linh)... và có tới hơn bốn trăm nơi thờ các vị tướng của Hai Bà.

Trên bệ đá cao khoảng một mét là tượng Hai Bà bằng đất luyện, tư thế ngồi. Bà chị Trưng Trắc mặc áo vàng, bà em Trưng Nhị mặc áo đỏ, đầu đội mũ phù dung, tượng to hơn người thật, tay giơ cao trước mặt như đang hiệu triệu quần chúng, Hai bên là tượng12 nữ tướng đã theo Hai Bà khởi nghĩa đánh đuổi Tô Định, rửa nhục nước, trả thù chồng.

Đến thời Chính Hòa (Lê Hi Tông 1676 – 1705) có sắc phong “Lĩnh Nam liệt Khái, thạch hóa chân dung” (nghĩa là đấng nghĩa liệt khảng khái đất Lĩnh Nam dung mạo kết tinh thành đá).

Do bãi sông bị lở dần, đền có nguy cơ bị đổ, dân phải dời về xã Đại Từ. Đến năm Gia Long 18 (1819) đền mới được chuyển vào tại Hương Viên, trên nền khu Võ Sở (thời Lê dùng làm nơi luyện và thi võ). Dân làng Đồng Nhân ở ngoài bãi cũng di chuyển vào đó và thờ cúng Hai Bà.

Hàng năm đền tổ chức ngày hội chính vào mồng 6 tháng 2 âm lịch, nhân dân làng Đồng Nhân và nhân dân Hà Nội mở lễ hội  kỷ niệm Hai Bà Trưng (ngày rước tượng về thờ) theo sự tích đền và chính là ngày Hai Bà Trưng tuẫn tiết vì nghĩa lớn của dân tộc. Cứ đến ngày mồng 5 tháng 2, dân làng Phụng Công (Văn Giang, HưngYên), nơi cùng thờ Hai Bà sang đền Đồng Nhân, cùng người dân Đồng Nhân rước lễ, lấy nước giữa dòng sông về tắm tượng. Lễ hội ở đền Đồng Nhân cũng như các di tích khác đều nhằm tưởng niệm những anh hùng dân tộc, những người có công với nước với dân. Qua lễ hội biểu hiện rõ tình cảm "uống nước nhớ nguồn” tâm linh người Việt. Đền đã được công nhận di tích lịch sử - văn hóa. 

Đền đã được xếp hạng di tích lịch sử - văn hóa cấp quốc gia ngày 28-4-1962.