Theo thần phả và các cụ cao niên, đình Châu Mai thờ Thành hoàng làng là Phả Tế Minh Lang thần đại tướng quân. Ông là vị tướng giỏi dưới thời nhà Trần, đã có công giúp Trần Hưng Đạo đánh quân Nguyên Mông xâm lược nước ta thế kỷ XIII. Thân phụ ông quê ở Đông Ngàn, phủ Từ Sơn. Sau đó, gia đình tới huyện Lương Giang, phủ Thiên Mạc để sinh sống. Khi lớn lên, Minh Lang bộ hành tìm nơi lập nghiệp tại xã Quế Sơn, huyện Thanh Oai. Tại đây ông chiêu mộ dân binh luyện tập binh khí. Lúc đó, khi Trần Hưng Đạo đại vương mở hội nghị Bình Than (1282) và ra chiếu toàn dân chống giặc Nguyên Mông, thì Minh Lang cùng đại binh đã kéo về triều xin được giúp vua đánh giặc.
Minh Lang được trấn giữ trận địa Bạch Đằng Giang phong chức là Tả hữu quân thần. Trong cuộc chiến đấu, đã anh dũng hy sinh lập nhiều chiến công, góp phần vào chiến thắng của quân dân nhà Trần đánh đuổi quân Nguyên vào xâm lược nước Đại Việt lần thứ ba. Sau khi ông mất, dân làng Châu Mai đã tôn vinh ông làm thành hoàng làng xây đền, đình thờ tự, hương khói quanh năm.
Đình Châu Mai được khởi công xây dựng trên một khu đất đẹp của làng được gọi là “Quý ngự hạc chầu” ở làng, nhìn về hướng Nam, xung quanh là khu dân cư đông đúc. Đây là công trình kiến trúc thời Nguyễn, đời vua Thành Thái năm thứ 16 (1904). Khu di tích có các công trình, hạng mục như: Nghi môn, sân đình, hai ngôi nhà tả, hữu vu, nhà đại bái và hậu cung.
Cổng nghi môn với lối kiến trúc tứ trụ lồng đèn to vừa, chia làm ba phần đế cột, thân và đỉnh. Đế cột khá to, tạo dáng khum giữ thế chịu lực trên doi đất cao so với mặt đường làng. Trên thân cột xây khối hộp chữ nhật, xung quanh đắp đường gờ nổi, bên trong ghi đôi chữ Hán ca ngợi cảnh đẹp làng quê và công lao to lớn của vị Thành hoàng của làng. Ở cột lồng đèn, trang trí những phù điêu đắp nổi tứ linh như long, ly, quy, phượng. Trên cùng là hoa dành kết nối bốn con chim phượng như đang tung cách. Đây là một trong những cổng tứ trụ đình làng to lớn ở quanh vùng.
Qua cổng Nghi môn là đến sân gạch đỏ, hai bên là hai ngôi nhà tả, hữu vu. Hai ngôi nhà tả, hữu vu có ba gian, hình chữ Nhất chạy song song đăng đối nhau. Hai ngôi nhà nhỏ hẹp với chức năng là nơi chuẩn bị lễ vật vào đình lễ thành hoàng. Về kiến trúc, hai ngôi nhà có tường xây gạch xung quanh, đầu hồi bít đốc, mái chảy lợp ngói mũi. Bộ khung nhà làm theo kiểu thức vì kèo quá giang trốn cột, thiên về bào trơn đóng bén.
Tiếp đến là ngôi nhà Đại bái và hậu cung, đại bái và hậu cung đình Châu Mai có kết cấu kiến trúc kiểu chữ Đinh. Ngôi nhà đại bái có 5 gian, cấu trúc diện ngang hình chữ Nhất, tay ngai, tường xây đồi hồi bít đốc, hai mái chảy lợp ngói mũi. Kiến trúc khung nhà có bốn hàng cột chịu lực, đầu xẻ họng để tra câu đầu và các bộ vì làm theo kiểu thức thượng trồng rường cốn hạ kẻ bẩy. Trên thượng lương có dòng chữ “Thành Thái thứ 16 tức vào năm 1904” xây dựng đình làng Châu Mai. Về điêu khắc nghệ thuật trên các lớp kiến trúc gỗ, chủ yếu bốn bức cốn gian giữa có chạm kênh bong hoa văn theo tích tứ linh tùng, trúc, cúc, mái và tứ quý long, ly, quy, phượng. Bên cạnh đó, trên các bộ khung vì, kèo còn chạm khắc nhiều loài cá, cua, chuột rất sinh động. Những lớp điêu khắc mang đậm nội dung văn hóa dân gian vùng đồng chiêm và phong cách nghệ thuật trang trí đình làng thời Nguyễn.
Hiện nay, đình Châu Mai còn giữ được nhiều hiện vật có giá trị như: tấm bia hậu Giáp Quý và Bia hậu danh họ Phú, hoành phi, câu đối, hương án, bát hương, giá văn, ban thờ Thành hoàng làng cùng với các đồ thờ tàn, tán, lọng, long ngai, bài vị, thần phả, sắc phong. Lễ hội đình làng Châu Mai được tổ chức từ ngày mồng 10 đến ngày 14/8 âm lịch hàng năm.
Với những giá trị của mình, đình làng Châu Mai được xếp hạng Di tích cấp Quốc gia năm 1995.