Đình được xây dựng vào khoảng cuối thế kỷ XV, đầu thế kỷ XVI. Trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp (1945 - 1954), đình Vĩnh Tuy Đoài là nơi tập trung nhân dân vào Hà Nội cướp chính quyền năm 1945, là một trong những căn cứ của dân quân du kích, nơi tập kết, họp bàn của các cán bộ cách mạng. Năm 1947, đình còn là nơi đặt sở chỉ huy của Mặt trận Vĩnh Tuy Đoài, vì vậy ngôi đình đã bị thực dân Pháp triệt phá hoàn toàn. Được sự quan tâm của chính quyền địa phương, đình được tôn tạo (phục dựng) theo dáng dấp kiến trúc thời Hậu Lê, khánh thành vào năm 2012.
Đình được bố cục bao gồm: Nghi môn, bình phong, sân gạch, hai dãy Tả - Hữu mạc (mỗi dãy 3 gian), đình chính đại bái và hậu cung. Điểm nổi bật của đình toát lên từ các kiến trúc bằng gỗ - hoàn toàn là gỗ lim (chiếm 90% công trình), kiến trúc gỗ không sơn son, thếp vàng mà được để mộc với nhiều nét chạm trổ cầu kỳ mang phong cách nghệ thuật thế kỷ XX, góp thêm tư liệu cho việc nghiên cứu kiến trúc dân gian ở thủ đô Hà Nội.
Hiện nay tại di tích còn lưu giữ được bộ sưu tập di vật văn hoá có giá trị lịch sử. Trong đó, có 02 đạo sắc phong niên hiệu Thiệu Trị 4 (1844) và Khải Định 9 (1924) khẳng định các vị thần Nha Cát, Nguyệt Nga công chúa được thờ tại đình. Ngoài ra, hệ thống các di vật gỗ chạm của đình như: Long ngai, tượng Thần, hoành phi, câu đối, cửa võng, hương án, khám thờ, lư hương đá ... được chạm khắc tinh xảo các đề tài trang trí truyền thống.
Lễ hội đình được diễn ra vào ngày mùng 1 tháng 2 và ngày 10 tháng 8 âm lịch hàng năm, nhằm phát huy truyền thống “Uống nước nhớ nguồn”, giữ gìn bản sắc văn hoá dân tộc.
Đình Vĩnh Tuy Đoài - một di tích lịch sử văn hoá mang đậm nét kiến trúc cổ truyền và phong phú về nội dung lịch sử đã được Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội công nhận Di tích Lịch sử - Nghệ thuật cấp Thành phố năm 2014.