Chùa Phước Lâm thuở mới khai dựng nằm trên vùng đất thuộc làng Thắng Nhì, dưới chân Núi Lớn nên có tên là Phước Sơn Tự. Sau đó, thực dân Pháp lấy khu vực ở gần chùa làm trường bắn cho Trường thiếu sinh quân, nên đến năm 1944, chùa được dời xuống vị trí hiện nay, số 65 Nguyễn Bảo (số cũ: 54/7, đường Tự Do), phường 6, thành phố Vũng Tàu, trên nền đất 2,7 mẫu do Đốc phủ Lê Văn Thìn hiến cúng, và có tên Phước Lâm Tự.

Phước Lâm Tự của những năm 1944 ở địa điểm mới vẫn là dãy nhà 3 gian 2 chái, sườn kết cấu kiểu tứ tượng như trước đây. Sau năm 1956, ngôi chùa được xây dựng lại với diện tích rộng lớn hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của Phật tử và là nơi sống tu của trên 40 tăng sĩ thuở ấy.

Cấu trúc tứ trụ của nhà rường xưa đã được thay thế bằng một kiểu kiến trúc ảnh hưởng phương Tây, theo xu thế chung của các công trình được xây dựng trong thời Pháp thuộc, nhưng vẫn theo kết cấu sườn mái bằng gỗ, lợp ngói rất phương Đông. Dấu ấn phương Tây thể hiện rõ ở hàng cột vuông và mái vòm cong, và đặc biệt là ba tháp chuông trên cao, làm cho kiến trúc chùa Phước Lâm có nét rất riêng so với các ngôi chùa khác.

Nhìn toàn cảnh từ chính điện, điểm gây chú ý đầu tiên là hàng chữ Phước Lâm Tự màu đỏ và năm trùng tu 1956, sau đó là những hoa văn trang trí mặt trước chùa được cẩn gạch men, nhiều màu sắc, thực hiện rất công phu. Sân chùa được hai cây cổ thụ tỏa bóng mát rượi. Đó là cây Thala hay còn gọi là Sala, là quà tặng của Đại đức Narada ở Tích Lan vào năm 1968 và một gốc tràm sum sê cành lá.

Bước vào bên trong, quý khách được chiêm ngưỡng các pho tượng cổ là báu vật của Chùa. Đó là pho tượng Vishnu bằng đá ở tư thế đứng cao 84cm, đào được tại Núi Lớn được đoán định vào thế kỷ VII - VIII, được đặt trên bệ đá hình trụ. Chùa còn có các pho tượng Di Đà Tam tôn, tượng Thích Ca Mâu Ni tọa thiền, A Nan và Ca Diếp đứng, tượng Phật Thích Ca mâu Ni nhập Niết Bàn, pho tượng Chuẩn Đề bằng gỗ, tượng ông Giám bằng đất nung - một kiểu tượng rất đặc trưng của Phật giáo ở Nam Bộ, cũng là một bảo vật của ngôi chùa. Đối diện với bàn thờ chánh điện Ngọc Hoàng Thượng Đế, Hộ Pháp, Tiêu Diện, là quả đại hồng chung.

Nhà Tổ ở phía sau chánh điện, đặt tượng Quan Thánh và Địa Tạng hai bên, đối diện với bàn Tổ. Trên bàn Tổ còn lại hai bài vị của Tổ thuộc chi phái Lâm Tế, đời thứ 41 và 42: Hòa thượng Thanh Liễu và Hòa thượng Diệu Diễn.

Ngoài các bức tượng quý, chùa Phước Lâm còn lưu giữ được nhiều kinh sách chữ Hán như: luật Tứ phần, luật Sa di... và các bức hoành phi Tổ Ân Trùng Quang, Phật Nhật Tăng Huy, Pháp Hóa Tam Châu.

Năm 1993, chùa Phước Lâm được trùng tu, với bức tượng Quan Âm Nam Hải cao 3,5m, có đình trạm bốn mái bên trên. Trong sân còn có bình tịnh thủy với nước chảy tràn cuốn trôi mọi phiền muộn trần gian, tưới mát suốt ngày chốn cửa Phật. Nhà hậu tổ được làm mới, nhưng vẫn theo kết cấu và kiểu cổ.

Do giá trị lịch sử của các pho tượng và của ngôi cổ tự, chùa đã được công nhận là một Di tích lịch sử văn hóa của tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.

Chùa Phước Lâm được xem là một trong những trung tâm Phật giáo ở địa phương, thường xuyên có tăng ni phật tử trong nước và quốc tế (chủ yếu người Ấn Độ) đến thưởng ngọan và hành lễ vào những ngày lễ lớn như tết Nguyên Đán, rằm tháng Giêng, lễ Phật đản, lễ Vu lan...