距潮音寺不远处，有一座康熙皇帝敕造的海神庙。雍正和乾隆亦曾御驾于此。清人华鼎元《海神庙》诗曰：“东眺扶桑雾气浓，畿南众水尽朝宗。三朝祀典崇碑碣，祠宇辉煌殿阁重。”“东眺扶桑”指庙处海口之滨，“三朝祀典”道出了此庙与康、雍、乾三位皇帝的渊源。
据说大沽的海神庙在明代已经存在。清康熙三十四年（1695）六月二十八日，康熙帝曾经到过这里。几年后，锦州等地发生饥荒，清廷“创兴海运航，内地之粟由大沽出口，三日达盛京”。康熙认为此系海神相助，亲临大沽巡视，更觉这里地位重要，下令加强防卫，乃拨款重建海神庙，亲题“敕建大沽口海神庙”匾、正殿“静洪波”匾、水母殿“涵育”匾及“东静安澜”“皇图永固”额，并撰写碑文，“表神之功德，以垂示永久”。
敕造的海神庙为三进殿宇式建筑。前为海神殿，中为观音阁，后为水母殿。门口立着一对汉白玉石狮，还有两根大旗杆。山门之上悬挂着康熙御笔金字匾额。庙内的观音阁亦称望海楼，其建筑甚为奇特。据记载，“大沽海神庙之阁建灯光照远近，以便海泊夜行”。即是说楼上悬灯是为海船进出大沽口导航的（实为大沽口最早的灯塔）。庙内有海眼、海坛。海坛乃皇帝祭海之处。海眼深不可测，据说能听见海潮涨落之声。
海神庙作为祭祀海神之地，亦为帝王观海之行宫。清代有多位皇帝、亲王住在这里。雍正、乾隆二帝与该庙关系尤为密切。他们仿效先皇，也都为该庙撰写了碑文。雍正四年（1726）雍正帝视察大沽海防到此“游幸”，留下碑文称：“既崇封号，以答神庥，爰敕有司，载新祠庙，更立丰碑，垂示久远。神其益降嘉祥，舟航以通，风雨时若，永惠我民，则朕有厚望焉。”
乾隆三十一年（1766）春，乾隆帝在此进行瞻礼大典。典礼后，除亲撰碑文，还写下不少诗联、匾额。其《海神庙瞻礼述事》诗云：“崇搆海河滨，初来拜谒伸。配天常亘地，济物即为神。紫澥安澜庆，青莲示法真。两朝碑仰读，意总为斯民。”他登观音阁观海口风光，特为观音阁题额“紫澥青莲”，写下楹联：“印月千川妙观察，澄澜万顷静声闻。”又为前殿题额“东渤安澜”，为后殿题联“导淀泊河沽归墟效顺，亘津瀛沧棣安堵蒙庥”。
此后，每逢年节佳日，清廷都要在海神庙举行“圣典”，地方官员都来参加典礼。《续天津县志》载：嘉庆皇帝曾题额联：“析木安流。万水会灵源星津叶象，九河怀旧迹海固安澜。”道光皇帝题额“功昭利济”。崇厚等要员也曾为该庙观音阁写过碑记。直隶总督谭廷襄在海神庙设帐督军，钦差僧格林沁亲王到大沽炮台御敌，曾到庙中祷告。晚清《点石斋画报》有《致祭海神》一图，描绘光绪十年（1884）秋天祭祀海神的情景。这次秋祀，李大臣（指李鸿章）邀请札萨克、台吉等随从陪祭。
进入民国时期，海神庙里仍是大小官员经常瞻礼的地方。1920年，时任大沽造船所所长的吴毓麟利用该庙开办大沽海军管轮学校，后又改为艺术学校。1922年正月，海神庙的观音阁突然失火，大庙化为灰烬，现仅遗迹尚存。如今大沽海神庙遗址已被列入第四批天津市文物保护单位，相关单位对遗址进行了发掘，其被标明：“大沽海神庙以其独特的地理位置和祭祀海神的功能，成为大沽乃至天津地区重要的庙宇，更成为大沽地区地标性建筑。”大沽海神庙遗址见证了这里发生的重大历史事件，集中展示了当地的宗教活动、民俗文化及天津的河海文化，反映了大沽海口在中国近代史上的地位。
大沽海神庙遗址的发掘使文献中记载的大沽海神庙得到了确认，对其建筑格局也有了初步了解，故而具有重要的历史研究价值。