Truyền thuyết kể rằng, khi Nguyễn Hoàng vào làm Trấn thủ xứ Thuận Hóa, ông đã đích thân đi xem xét địa thế ở đây nhằm chuẩn bị cho mưu đồ mở mang cơ nghiệp, xây dựng giang sơn cho dòng họ Nguyễn sau này. Trong một lần rong ruổi vó ngựa dọc bờ sông Hương ngược lên phía đầu nguồn, ông bắt gặp một ngọn đồi nhỏ nhô lên bên dòng nước trong xanh uốn khúc, thế đất như hình một con rồng đang quay đầu nhìn lại. Hỏi ra mới biết, ngọn đồi này có tên là đồi Hà Khê. Người dân địa phương cho biết, nơi đây ban đêm thường có một bà lão mặc áo đỏ quần lục xuất hiện trên đồi, nói với mọi người “Rồi đây sẽ có một vị chân chúa đến lập chùa để tụ linh khí, làm bền long mạch, cho nước Nam hùng mạnh“. Vì thế, nơi đây còn được gọi là Thiên Mụ Sơn (núi Thiên Mụ). Tư tưởng lớn của chúa Nguyễn Hoàng dường như cùng bắt nhịp được với ý nguyện của dân chúng. Ông cho dựng một ngôi chùa trên đồi, ngoảnh mặt ra sông Hương, đặt tên là “Thiên Mụ Tự“ (chùa Thiên Mụ).
Trong thực tế, ở đây đã từng tồn tại một ngôi chùa của người Chàm - di tích được nhắc đến trong sách Ô châu cận lục của Dương Văn An vào năm 1553. Nhưng phải đến năm 1601 với quyết định của chúa Nguyễn Hoàng, chùa mới chính thức được xây dựng.
Theo đà phát triển và hưng thịnh của Phật giáo xứ Đàng Trong, chùa được xây dựng lại quy mô hơn dưới thời chúa Nguyễn Phúc Chu (1691-1725). Năm 1710, chúa cho đúc một chiếc chuông lớn có khắc một bài minh trên đó. Đến năm 1714, chúa lại cho đại trùng tu chùa với hàng chục công trình kiến trúc hết sức quy mô như điện Thiên Vương, điện Đại Hùng, nhà Thuyết Pháp, lầu Tàng Kinh, phòng Tăng, nhà Thiền... mà nhiều công trình trong số đó ngày nay không còn nữa. Ông còn đích thân viết bài văn bia nói về việc xây dựng các công trình kiến trúc ở đây, ca tụng triết lý của đạo Phật, ghi rõ sự tích Hòa thượng Thạch Liêm - người có công lớn trong việc giúp chúa Nguyễn chấn hưng Phật giáo ở Đàng Trong. Bia được đặt trên lưng một con rùa đá rất lớn, trang trí đơn sơ nhưng tuyệt đẹp.
Với quy mô được mở rộng và cảnh đẹp tự nhiên, ngay từ thời đó, chùa Thiên Mụ đã trở thành ngôi chùa đẹp nhất xứ Đàng Trong. Trải qua bao biến cố lịch sử, chùa Thiên Mụ đã từng được dùng làm đàn Tế Đất dưới triều Tây Sơn (khoảng năm 1788), rồi được trùng tu tái thiết nhiều lần dưới triều các vua nhà Nguyễn. Năm 1844, nhân dịp mừng lễ “bát thọ“ (mừng sinh nhật thứ tám mươi) của bà Thuận Thiên Cao Hoàng hậu (vợ vua Gia Long, bà nội của vua Thiệu Trị), vua Thiệu Trị kiến trúc lại ngôi chùa một cách quy mô hơn: xây thêm tháp Từ Nhân (sau đổi là Phước Duyên), đình Hương Nguyện và dựng 2 tấm bia ghi chép thơ văn của nhà vua.
Tháp Phước Duyên là một biểu tượng nổi tiếng gắn liền với chùa Thiên Mụ. Tháp cao 21m, gồm bảy tầng, được xây dựng ở phía trước chùa. Mỗi tầng tháp đều có thờ tượng Phật. Bên trong có cầu thang hình xoắn ốc dẫn lên tầng trên cùng, nơi trước đây có thờ tượng Phật bằng vàng. Phía trước tháp là đình Hương Nguyện.
Chùa Thiên Mụ được xếp vào hai mươi thắng cảnh đất Thần Kinh với bài thơ “Thiên Mụ chung thanh” do đích thân vua Thiệu Trị sáng tác và được ghi vào bia đá dựng gần cổng chùa. Năm 1862, dưới thời vua Tự Đức, để cầu mong có con nối dõi, nhà vua sợ chữ “Thiên“ phạm đến Trời nên cho đổi từ “Thiên Mụ” thành “Linh Mụ” (Bà mụ linh thiêng). Mãi đến năm 1869, vua mới cho dùng lại tên Thiên Mụ như trước. Bởi vậy trong dân gian, người ta vẫn dùng cả hai tên khi muốn nhắc đến chùa này.
Trận bão khủng khiếp năm 1904 đã tàn phá chùa nặng nề. Nhiều công trình bị hư hỏng, trong đó đình Hương Nguyện bị sụp đổ hoàn toàn. Qua nhiều đợt trùng tu lớn nhỏ, ngoài những công trình kiến trúc như tháp Phước Duyên, điện Đại Hùng, điện Địa Tạng, điện Quan Âm... cùng bia đá, chuông đồng, chùa Thiên Mụ ngày nay còn là nơi có nhiều cổ vật quí giá không chỉ về mặt lịch sử mà còn cả về nghệ thuật. Những bức tượng Hộ Pháp, tượng Thập Vương, tượng Phật Di Lặc, tượng Tam Thế Phật... hay những hoành phi, câu đối ở đây đều ghi dấu những thời kỳ lịch sử vàng son của chùa Thiên Mụ.
Trong khuôn viên của chùa là cả một vườn hoa cỏ được chăm sóc vun trồng hàng ngày. Ở đó, hòn non bộ của vị tổ nghề hát tuồng Việt Nam Đào Tấn được đặt gần chiếc xe ô tô - di vật của cố Hòa thượng Thích Quảng Đức để lại trước khi châm lửa tự thiêu để phản đối chính sách đàn áp Phật giáo của chế độ Ngô Đình Diệm năm 1963. Cuối khu vườn là khu mộ tháp của cố Hòa thượng Thích Đôn Hậu, vị trụ trì nổi tiếng của chùa Thiên Mụ, người đã cống hiến cả cuộc đời mình cho những hoạt động ích đạo giúp đời.
Tọa lạc bên bờ sông Hương thơ mộng của miền Trung, chùa Thiên Mụ với kiến trúc cổ kính đã góp phần điểm tô cho bức tranh thiên nhiên nơi đây càng thêm duyên dáng, thi vị. Tiếng chuông chùa như linh hồn của Huế, vang vọng mãi theo dòng nước sông Hương chảy qua trước Kinh Thành, xuôi về cửa biển, đọng lại trong lòng khách phương xa đến Huế một nỗi niềm vương vấn chốn Thiền Kinh.
