Đình có lịch sử tạo dựng sớm để thờ phụng các vị thần có công với nhân dân địa phương. Ngôi đền cổ trước đây được khởi dựng khá sớm ở ngoài bãi. Theo các cụ trong làng cho biết vào khoảng cuối thời Lê do ngoài bãi bị nước sông sói lở sâu vào móng đèn bị sụt vỡ nên nhân dân Thượng Thụy đã chuyển vào bên trong đê như vị trí hiện nay.

Căn cứ theo cuốn thần tích và sắc phong và các sử liệu còn lưu giữ tại đình thì Thượng Thụy thờ thành hoàng làng là Đức Long Vương thủy thần có thể tóm tắt như sau: một đêm rằm tháng tám viên quan cai trị lúc bấy giờ nằm mơ thấy một vị tướng dung mạo hùng vĩ, thân cao chín thước đến trước mặt ông ta và bảo rằng: “ta là thần sấm sét trên thiên đình, dưới thủy phủ ta là Long Vương. Vâng mệnh Thượng đế giữ gìn dân nơi này”.

 “Sau đó trời nổi cơn mưa giông người dân còn nghe tiếng đọc lệnh chỉ của  Ngọc Hoàng cho dân lập đền thờ”. Đây là vị Thánh thuận ý trời hiển linh. Trong thần phả còn chép: “Có một năm nước sông Hồng lên rất to, quan giám đê của triều đình nghe nói nơi đây thờ vị Thần rất linh thiêng, vị quan này cho lập đàn cầu xin tức thì nước sông rút ngay. Sau đó mưa thuận gió hòa năm ấy dân trong vùng được mùa to”.

Hàng năm nhân dân trong thôn theo lệ cũ lấy ngày mồng 5 tháng 8 hàng năm là ngày giỗ, lấy ngày mồng 5 tháng 5 là ngày tế các vị thần rất cung kính: “Đại vương là người trời, việc nhỏ việc to đều thấu suốt, ngài có sức mạnh sấm vang, chớp giật, có oai phong làm gió, làm mưa. Uy đức ấy được ghi vào sổ thiên tào. Nơi thủy phủ đứng đầu muôn loài thủy tộc, biến hóa vô cùng. Đại vương là bậc thần xưa nay được muôn dân kính yêu, mến mộ. Nay là lễ phụng nghinh, đường mây đã mở, bên chiếu xuân kính xin đại vương tạm ghé xe loan. Dân chúng tôi thành kính dâng lên lễ mọn xin đại vương soi xét, giúp đỡ, giữ gìn muôn dân, ngài cho dân chúng con được hưởng đức lớn cho được mưa thuận gió hòa, dân yên vật thịnh. Thực là cậy nhờ sức lực công lao phù trợ của Đại vương, xin ngài thấu cho”.

Về sau các triều vua đã sắc phong cho thành hoàng làng là: “Đại vương là bậc Trung đẳng thần, ơn sâu như biển, thấm nhuần tới dân, thuận ý trời, hiển linh giúp dân yên vui mãi mãi”.

Hàng năm để tưởng nhớ công đức của đức thánh dân làng lấy ngày 12 tháng giêng là ngày lễ hội đình làng để tỏ lòng thành kính và cảm tạ Thần đã phù hộ cho mưa thuận gió hòa, dân làng sống thanh bình, hạnh phúc.

Trước đây đình có quy mô nhỏ, đơn giản gồm ba gian hai dĩ, trong những năm gần đây được sự quan tâm của chính quyền quận Tây Hồ và phường Phú Thượng, ngành chức năng đặc biệt là ý thức và sự tự nguyện đóng góp kinh phí của nhân dân Thượng Thụy đã đại trùng tu lại ngôi đình nên diện mạo đình Thượng Thụy ngày nay khá bề thế trang nghiêm.

Di tích đình Thượng Thụy được xây dựng trên một khu đất khá rộng cao thoáng ở trung tâm của làng Thượng Thụy và quay theo hướng tây, di tích có tường bao xung quanh, diện tích khoảng 2000m2.

Ngoài cùng là giếng đình được xây dựng theo hình tròn, diện tích khoảng 300m2 mùa hè được thả hoa sen tỏa hương thơm ngào ngạt tạo không gian thông thoáng tươi đẹp cho ngôi đình.

Nghi môn: tứ trụ ở chính giữa gồm 2 trụ biểu xây hình vuông cao, thân trụ có bổ ô để viết câu đối, phần lồng đèn không trang trí, trên đỉnh trụ có 4 chim phượng chụm đuôi vào nhau tạo thành hình trái dành. Từ hai cột chính chạy thẳng sang hai bên phải và bên trái là hai trụ nhỏ để trơn không tạo câu đối, đỉnh trụ là hình hai con nghê hướng mặt vào nhau.

Công trình kiến trúc chính của đình Thượng Thụy gồm: đại đình và hậu cung. Tòa đại đình gồm 5 gian mới được chính quyền và nhân dân tu bổ lại trong thời gian gần đây bằng chất liệu hiện đại bê tông giả gỗ trên các bộ vì được thể hiện kiểu chồng rường, tiền kê, hậu bẩy.

Mái lợp ngói ta, các góc mái được thể hiện các đầu đao cong hình đầu rồng hướng ngược về nóc mái. Phía trước là hệ thống cửa bức bàn bằng gỗ. Tòa đại đình Thượng Thụy được làm trên nền cao với 7 bậc đá từ sân đi lên, ở chính gian giữa phía ngoài đại đình từ các bậc đá đi lên là đôi rồng vàng bằng đá và chiếu rồng (mới được nhân dân làm công đức trong thời gian gần đây). Phía trước đôi rồng là đôi đèn và lư hương cũng bằng đá xanh.

Đại đình gồm 5 gian rộng, bộ khung được làm bằng bê tông giả gỗ gồm có 4 bộ vì kèo (2 bộ vì kiểu thượng rường, 1 bộ vì kèo suốt, 1 bộ vì giá chiêng) đình cao khoảng 1,4m so với mặt sân. Nhà đại đình được làm theo kiểu tường hồi bít đốc, bờ nóc chạy thẳng chính giữa đắp đôi rồng chầu mặt trời lửa. Hình rồng được làm đơn giản, đuôi xoắn, vây lưng và bờm nhọn, thân gắn các mảnh sành xanh, trắng. Hai bên hồi xây tường nối ra hai cổng nhỏ thông ra phía sau vườn.

Hậu cung gồm 3 gian nhà ngang, xây kiểu đầu hồi bít đốc, mái lợp ngói ta, chính giữa bờ nóc đắp mặt trời lửa, hai đầu bờ nóc đắp hai tiện rút. Nền nhà cao hẳn lên so với đại đình, nền nhà lát gạch giếng đáy. Bộ khung nhà làm đơn giản kiểu vì kèo quá giang, bào trơn đóng bén, phía trước mặt là hệ thống cửa bức bàn gỗ. Gian chính giữa ở vị trí trung tâm đặt long ngai, bài vị ngai thờ của thành hoàng làng.

Đặc biệt, đình Thượng Thụy còn lưu giữ được hệ thống di vật phong phú đa dạng về thể loại và chất liệu như: hệ thống các sắc phong, thần phả, chuông đồng, ngai thờ, kiệu gỗ, cửa võng, hoành phi, câu đối… mang giá trị văn hóa, khoa học và thẩm mỹ rất cao cùng các đạo sắc (bản gốc) có niên đại thời Nguyễn. Các di vật này là nguồn tư liệu thành văn vô cùng quý giá góp phần lớn trong việc tìm hiểu về lai lịch các vị thần trong hệ thống thần điện của người Việt cũng như quá trình phát triển của đình làng Việt Nam qua các thời kỳ lịch sử khác nhau của đất nước.

Ngoài giá trị về mặt lịch sử, nghệ thuật đình Thượng Thụy còn có giá trị về văn hóa. Ngôi đình là nơi quần tụ sinh hoạt văn hóa, tâm linh tín ngưỡng của dân làng thể hiện lòng biết ơn với người đã có công bảo vệ cuộc sống bình yên cho nhân dân từ trước đến nay. Đồng thời còn là nơi gắn kết các thành viên trong làng, hướng con người đến chân - thiện - mỹ./.