Năm 1825, vua Minh Mạng cho xây dựng lại trên nền cũ đặt tên là chùa Thuý Ba. Năm 1836 vua Minh Mạng cho sửa lại, xây thêm Ðại Từ Các và Tháp Ðiều Ngự đặt tên là chùa Thánh Duyên.
Chùa Thánh Duyên được xây dựng trên núi Túy Vân - một hòn núi nhỏ gần cửa Tư Hiền, nay thuộc xã Vinh Hiền, huyện Phú Lộc. Chùa được xây dựng vào nửa sau thế kỷ XVII, dưới thời chúa Nguyễn Phúc Tần với quy mô nhỏ. Đến năm Nhâm Thân (1692) chúa Nguyễn Phúc Chu đã cho tu sửa lại chùa.
Chùa Thánh Duyên được xây dựng theo phong cách kiến trúc Nguyễn đặc trưng "trùng thiềm điệp ốc", với bố cục chùa (Thánh Duyên) - Các (Ðại từ) - Tháp (Ðiều Ngự), là điều khác lạ so với các chùa thông thường là: tháp – chùa, phải chăng đây là thể hiện tư tưởng Tam giáo đồng nguyên trong kiến trúc Phật giáo.
Quy mô chùa Thánh Duyên gồm: Chùa ba gian hai chái, có la thành. Phía sau chùa là Đại Từ Các, cấu trúc ba gian có nghi môn và la thành bao quanh. Ở đỉnh núi là Tháp Điều Ngự 3 tầng, cao khoảng 12m. Sau tháp có một ngôi đình nhỏ, trước đình có bình phong long mã, xung quanh có la thành.
Chùa chính có 3 án thờ và 2 án tòng sự thờ Phật Tam Thế, Quan Âm, 18 vị La Hán…, đặc biệt là tượng 18 vị La Hán đầu bằng đồng.
Từ năm 1836 vua Minh Mạng đã ban sắc chùa Thánh Duyên lên hàng Quốc tự với nhiều vị cao tăng có tên tuổi được cử làm trụ trì.