Khuôn viên chùa hiện nay rộng khoảng 2.500m². Chung quanh có la thành bao bọc, cửa chùa hướng về sông Đông Ba và Kinh Thành Huế. Khi mới xây dựng, bên trong la thành có khoảng 10 công trình kiến trúc.

Mặt trước chùa trổ 3 cửa, chính giữa là cửa tam quan 2 tầng có cổ lâu, ba mặt còn lại đều trổ một cửa, trước chùa sát bờ sông có 6 trụ biểu nhưng nay đã mất hết dấu tích.

Công trình chính là điện Đại Giác 3 gian 2 chái, bên trái chánh điện là Cát Tường Từ Thất, bên phải là Trí Tuệ Tinh Xá. Trước điện là gác Đạo Nguyên 2 tầng 3 gian, hai bên gác có lầu chuông, lầu trống. Hai bên sân chùa, gần cổng chính là hai nhà lục giác, nhà bên trái để chuông, nhà bên phải dựng bia khắc thơ vua Thiệu Trị. Sau chánh điện là hai nhà Tả, Hữu tăng phòng 5 gian, Tả, Hữu trú gia 3 gian.

Tháng 6/1885, vua Hàm Nghi cho triệt giải chùa Giác Hoàng trong Kinh Thành và chuyển các tượng Phật ra thờ tại chùa Diệu Đế. Nhưng sau đó kinh đô thất thủ, phủ đường Thừa Thiên bị Pháp chiếm đóng, triều đình Đồng Khánh sử dụng Trí Tuệ Tinh Xá làm phủ đường của phủ Thừa Thiên, Cát Tường Từ Thất làm sở đúc tiền, hai nhà Tả, Hữu tăng phòng được dùng làm trụ sở cho Khâm Thiên Giám và nhà lao của phủ Thừa Thiên.

Năm 1887, nhiều dãy nhà bị triệt bỏ, chùa chỉ còn lại điện Đại Giác, gác Đạo Nguyên, 2 cổ lâu bát giác và cửa tam quan. Năm 1910, lại dẹp bỏ gác Đạo Nguyên và hai lầu chuông trống, chùa Diệu Đế ngày càng xuống cấp.

Năm 1930, trong phong trào chấn hưng Phật giáo, chùa Diệu Đế được dùng làm trụ sở của Hội Phật học An Nam. Năm 1950, điện Đại Giác được xây dựng lại, đổi tên thành điện Đại Hùng, hai bên có hai nhà Lôi Gia. Sau điện Đại Hùng là tăng xá và các nhà phụ của chùa.

Chùa Diệu Đế nằm bên đường Bạch Đằng, phía bờ Đông sông Đông Ba (nguồn ảnh:visitHue)

Điện Đại Hùng chùa Diệu Đế được xây dựng lại, bên trong chùa còn lưu giữ nhiều tượng Phật. Đặc biệt tại gian chính thờ Tam thế Phật, còn có bàn thờ thờ bài vị của vua Thiệu Trị, người sáng lập chùa. Trong điện còn thờ một số vị công chúa. Nổi bật trong điện Đại Hùng còn có bức tranh “Long vân khế hội” (Rồng mây gặp gỡ) đồ sộ, vẽ trên trầCn điện của nghệ nhân Phan Văn Tánh; thể hiện sinh động con rồng ẩn mây với màu sắc trang nhã phù hợp với  nhiều hình ảnh chốn Thiền lâm. Chính điện còn bức hoành phi “Diệu Đế Quốc Tự” với lạc khoản ghi năm Thiệu Trị thứ 4 (1844). Cửa tam quan và hai nhà lục giác cất giữ bia Thiệu Trị và chuông đồng Diệu Đế là những di vật quý của ngôi quốc tự một thời.

Hiện nay, hai bên sân chùa vẫn còn một số công trình xây dựng tùy tiện, đang làm cảnh chùa bị biến dạng. Các cơ quan chức năng đang xây dựng hồ sơ để đề nghị công nhận ngôi quốc tự Diệu Đế là di tích để có cơ sở chỉnh trang, tu bổ.