Theo truyền thuyết, Dinh Cô được khởi đầu xây dựng vào cuối thế kỷ XVIII, thờ một trinh nữ tên là Lê Thị Hồng, thân phụ là ông Lê Văn Khương, thân mẫu là bà Thạch Thị Hà, nguyên quán tại Tam Quan (tỉnh Bình Định). Năm 17 tuổi, cô theo cha vào thành Gia Định (nay là Thành phố Hồ Chí Minh) buôn bán trên chiếc thuyền gỗ. Khi ngang qua vùng này thì thuyền gặp giông bão, cô bị rớt xuống biển tử nạn, xác trôi dạt vào hòn Hang, được dân làng phát hiện và tổ chức chôn cất trên gò đất ven biển. Từ đó cô luôn hiển linh, mộng báo điềm lành, diệt trừ dịch bệnh, độ trì bá tánh nên được dân trong vùng lập đền thờ và tôn xưng là: “Long Hải Thần nữ Bảo an Chánh trực Nương nương Chi thần”.
Sách Đại Nam nhất thống chí ghi rõ: “Ngoài mỏm núi có ngọn Thần Nữ, tục gọi mỏm Dinh Cô, có một đống vừa cát vừa đá, trước kia có người con gái chừng 17-18 tuổi bị bão dạt đến đây, được người địa phương chôn cất, sau đó mộng thấy người con gái ấy, tự xưng là Thị Cách đến đây giúp đỡ, người ta cho là thần, lập đền thờ nay vẫn còn”.
Ban đầu Dinh Cô chỉ là ngôi miếu nhỏ, mái tranh vách đất, nằm kề bãi biển. Do bị sóng gió cuốn lở đất cát nên phải dời lên chân núi. Năm Canh Ngọ (1930) các vị Tiền hiền và nhân dân trong vùng tổ chức quyên góp, xây cất lại Dinh Cô rộng lớn, vững chắc hơn. Cơn hỏa hoạn tối mùng 8 tháng giêng năm Đinh Mão (1987) đã thiêu rụi tòa thánh điện, nên ngư dân địa phương và bá tánh đóng góp xây dựng lại. Đến năm 2006 - 2007, Dinh Cô lại được trùng tu lại theo lối kiến trúc cổ pha lẫn hiện đại.
Ngày nay, Dinh Cô có diện tích trên 1.000 m2. Cổng Tam quan nằm dưới chân mũi Kỳ Vân, hai bên có đặt tượng rồng và cọp, phía trên mái có gắn "Lưỡng long chầu nguyệt" và "song phụng chầu", lối lên các điện thờ là 37 bậc tam cấp. Trong chính điện bài trí 7 bàn thờ, ngay trung tâm là bàn thờ Bà Cô (Lê Thị Hồng), nổi bật với bức tượng Bà Cô cao hơn 0,5 m, mặc áo choàng đỏ, viền kim tuyến, đội mão gắn ngọc. Phía sau cạnh bàn thờ Bà Cô là bàn thờ Diêu Trì Phật Mẫu, Chúa Cậu (Nhị vị Công tử, tức là Cậu Tài, Cậu Quý), Ngũ Hành Nương Nương, Tứ Pháp Nương Nương (Pháp Vân, Pháp Vũ, Pháp Lôi, Pháp Điện), Ông Địa, Thần Tài. Ngoài chính điện, ngư dân còn lập bàn thờ Cửu Thiên Huyền Nữ, Chúa Ngọc Nương Nương, Chúa Tiên Nương Nương, Chư vị, Bà Mẹ Sanh, Tiền hiền, Hậu hiền... và các miếu thờ: Hỏa Tinh Thánh Mẫu, Quan Thánh Đế Quân, Quan Thế Âm Bồ Tát...
Mộ Cô ở về phía Tây Nam, cách Dinh thờ khoảng 1km, được xây trên đồi Cô Sơn, nằm sát bờ biển, từ dưới đi lên mộ, du khách phải hết 60 bậc thang.
Hàng năm vào các ngày 10, 11 và 12 tháng 2 âm lịch, tại Dinh Cô mở lễ hội lớn (còn gọi là ngày Vía Cô hay Lệ Cô) tưng bừng náo nhiệt. Lễ hội Dinh Cô còn là nét đặc sắc sinh hoạt văn hóa dân gian miền biển với nhiều tiết mục: rước kiệu, múa hát bả trạo, múa lân... Đây là một trong những lễ hội lớn ở Nam Bộ thu hút rất nhiều người đến tham quan và chiêm bái.
