Chùa Cô Tiên nằm cuối dãy núi Trường Lệ, trên đỉnh hòn Đầu Voi về phía Tây Nam, là di tích nổi tiếng gắn liền với du lịch biển Sầm Sơn. Truyện xưa kể rằng ngôi đền này thờ một người con gái làm nghề thuốc cứu giúp nhiều người bất hạnh. Cha bắt cô lấy một kẻ giàu có, cô phản đối nên bị đuổi khỏi nhà. Cô yêu thương và lấy một chàng trai nghèo khó tốt bụng tên là Côi. Cuộc sống cứ thế trôi đi, sau đó nàng mắc bệnh hủi, một cụ già xuất hiện đã chạy chữa cho nàng bằng thuốc nam và dòng nước suối trong mát lấy từ Vụng Tiên. Cô gái xinh đẹp khỏi bệnh, bà cụ cáo từ để lại cho vợ chồng họ một tay nải che mưa và một chiếc giỏ mây đựng thuốc cứu người.

Một đêm nọ, đi chữa bệnh về khuya, gặp lúc mưa to gió lớn, nhớ lời bà cụ dặn, hai vợ chồng lấy tay nải ra che mưa rồi ngủ thiếp đi. Sáng dậy, họ thấy mình đang ngồi trong ngôi nhà đẹp lộng lẫy 3 gian. Từ đó, hai người ở lại ngôi nhà và đi hái lá thuốc chữa bệnh cho người dân trong vùng. Một buổi sáng đẹp trời, họ ăn mặc chỉnh tề đẹp đẽ dắt tay nhau lên đỉnh núi rồi không quay trở lại. Ngôi nhà trở thành đền Cô Tiên và được dân làng hương khói.

Năm 1960, Bác Hồ về thăm Sầm Sơn đã nghỉ chân tại Đền Cô Tiên. Năm 1962, Đền Cô tiên được Bộ văn hóa – Thông tin (nay là Bộ Văn hóa - Thể thao và Du lịch) xếp hạng di tích Quốc gia. Đền Cô Tiên với khuôn viên thanh tĩnh, cảnh vật thơ mộng giúp du khách có cảm giác thanh thản, nhẹ nhàng khi đến đây vãn cảnh, đi lễ.

Mới đây, UBND tỉnh Thanh Hóa cũng đã có văn bản gửi Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch đề nghị trình Thủ tướng Chính phủ quyết định xếp hạng Di tích quốc gia đặc biệt đối với Khu di tích lịch sử và danh lam thắng cảnh núi Trường Lệ, TP Sầm Sơn bao gồm Đền Độc Cước, Đền Cô Tiên, Hòn Trống Mái, Đền Tô Hiến Thành.