Đền Cô Tiên được xây dựng vào thời Lý theo kiểu kiến trúc cổ, gồm 3 lớp: Tiền Đường, Trung Đường và Hậu Cung. Kiểu kiến trúc hình chữ Đinh (hay kiến trúc chuôi vồ).
Ngôi đền đã được xếp hạng quốc gia cùng với cụm di tích lịch sử văn hoá và danh thắng núi Trường Lệ gồm đền Độc Cước, đền thờ Thái úy Tô Hiến Thành và Hòn Trống Mái.
Truyền thuyết kể lại rằng: Ngôi đền này thờ một người con gái làm nghề thuốc cứu nhân độ thế. Cô gái vì không nghe lời cha lấy một kẻ nhà giàu nên bị cha đuổi ra khỏi nhà. Sau đó cô đem lòng yêu và lấy một chàng trai nghèo hiền lành, tốt bụng tên là Côi. Cuộc sống đang êm ả trôi đi trong hạnh phúc thì nàng bị bệnh hủi (bệnh phong). Hai vợ chồng đã đi khắp nơi chữa bệnh nhưng không khỏi. Bỗng một hôm có một bà lão xuất hiện đã chạy chữa cho nàng. Bà lên núi hái lá nam về hòa cùng với nước được lấy từ Vụng tiên. Cô gái khỏi bệnh. Bà cụ ra đi để lại cho cô gái một giỏ mây đựng đầy lá thuốc và một tay nải che mưa, nắng.
Một lần 2 vợ chồng đi chữa bệnh về khuya gặp trời mưa to, nhớ lời bà cụ dặn lấy tay nải ra che mưa và thiếp đi lúc nào không biết. Sáng mai khi tỉnh dậy 2 vợ chồng thấy mình đang nằm trong một ngôi nhà 3 gian khang trang sạch sẽ. Từ đó họ ở lại ngôi nhà và hằng ngày đi hái thuốc lá nam trên núi về chữa bệnh cho mọi người trong vùng. Một buổi sáng đẹp trời 2 vợ chồng ăn mặc rất đẹp dắt tay nhau đi lên đỉnh núi và thấy không quay trở về. Dân làng đồn rằng nàng chính là tiên nữ giáng trần. Ngôi nhà của vợ chồng được nhân dân trong vùng hương khói thờ phụng quanh năm.
Trong Hậu Cung của đền có đặt bàn thờ Tam tòa Thánh Mẫu: Thánh mẫu Thượng Thiên (tức là bà chúa Liễu Hạnh), Mẫu Thượng Ngàn, Thánh mẫu Thoải. Về nghi thức thờ cúng ngôi đền thờ ba vị Thánh Mẫu, nhưng xét theo tên gọi và đời sống tâm linh của nhân dân địa phương thì bà Chúa Liễu Hạnh có một vị trí đặc biệt.
Ngoài Đền chính, trong quần thể Di Tích Đền Cô Tiên còn có đền trình (Quan Giám) Miếu lộ thiên Nam Hải Đại Vương, Miếu Cô Chín.
Đền Cô Tiên với vẻ trầm mặc, nhẹ nhàng tự mình vào đá giữa núi non hùng vĩ là mảnh ghép hài hòa trong bức tranh non nước tuyệt mỹ của mảnh đất Sầm Sơn Thanh Hóa.
