Nằm trong địa bàn sinh tụ chính của cư dân Việt cổ thời Hùng Vương, vùng quê Ba Lật xưa - Phú Thứ nay có lịch sử tạo dựng vô cùng lâu đời. Các đợt khai quật khảo cổ học xung quanh khu vực đã phát hiện nhiều di chỉ cư trú của người Việt cổ sống cách ngày nay từ 3.000 đến 4.000 năm. Trên mảnh đất Phú Thứ, dấu ấn thời xa xưa còn in đậm qua việc phụng thờ các vị thủy thần cổ xưa và Ả Lã Nàng Đê — nữ tướng tài danh trong cuộc khởi nghĩa Hai Bà Trưng (năm 40 sau Công nguyên).
Tuy các văn bia và chuông đồng không còn ghi chép chính xác niên đại khởi dựng chùa Thiên Phúc, nhưng sự hiện diện của bộ sưu tập 8 pho tượng cổ mang phong cách nghệ thuật thời Lê Trung Hưng (thế kỷ XVII - XVIII) đang tọa lạc tại Tam Bảo đã khẳng định ngôi chùa đã tồn tại bền vững ít nhất từ thế kỷ XVII - XVIII.
Năm 1860 (Tự Đức thứ 13): Theo tấm bia 'Ký ký Khối Sài tự' dựng ngày 10 tháng 2 năm Tự Đức thứ 13 (1860), vào thời kỳ này chùa có tên là chùa Khối Sài với quy mô bề thế. Khi dân làng sang vùng Nội Duệ (Bắc Ninh) đúc chuông bị tốn kém chi phí, vị Nguyễn Phúc Lương và bà Từ Nghiêm đã cúng tiến tiền của và ruộng đất cho làng đắp đàn cày cấy, được hương lão và dân làng tôn làm Hậu Phật.
Năm 1894 (Thành Thái thứ 6): Dân làng Phú Thứ cùng nhau quyên góp mua đồng, thuê thợ đúc quả chuông đồng lớn 'Phú Thứ tự chung' (Chuông chùa Phú Thứ) niên hiệu Thành Thái thứ 6 (1894). Bài minh trên chuông ghi rõ lý do đúc chuông mới là do quả chuông cũ bị kẻ trộm lẻn vào lấy cắp ban đêm.
Năm Ất Mão (1915): Trận vỡ đê Liên Mạc khiến nước lũ tràn ngập về tận khu vực Phú Thứ, làm chùa Thiên Phúc bị hư hỏng nặng. Ngay sau khi nước rút, nhân dân địa phương đã chung sức tôn tạo, tu bổ lại ngôi chùa và bảo quản an toàn tuyệt đối các pho tượng cổ.
Ngày 12/03/1995: Bộ Văn hóa - Thông tin chính thức cấp Bằng xếp hạng Di tích Kiến trúc Nghệ thuật cấp Quốc gia cho cụm di tích Đình - Đền - Chùa Phú Thứ theo Quyết định số 188-QĐ/BT.
Giai đoạn 2010 - Nay: Chính quyền phường Tây Mỗ và Tiểu ban Quản lý di tích Phú Thứ đã tiến hành tôn tạo Nhà Tổ, Điện Mẫu, chỉnh trang sân vườn, cảnh quan ao chùa và ứng dụng mã QR Code thông minh phục vụ công chúng chiêm bái, nghiên cứu.