این بنا را به‌خاطر داشتنِ گنبدی از جنس گچ دیر گچین نامیده‌اند، اما اکنون چنین گنبدی در بنا وجود ندارد. بنای کاروانسرا مربوط به دوره ساسانی است و آن را در دوران سلجوقیان، صفویان، و قاجاریان مرمت و بازسازی کرده‌اند. شکل کنونی آن متعلق به دوران صفویه است. این کاروانسرا در راه باستانی ری به اصفهان مشهور به «راهِ دیر» قرار دارد. در پی تغییر جاده تهران به قم از راهِ دیر به مسیر حسن‌آباد در زمان امین‌السلطان، دیر گچین متروکه شد و افراد محلی از آن برای نگهداری دام استفاده بردند.

ساختمان دیر گچین به‌صورت چهار ایوانیِ دورهٔ سلجوقی است و حدود ۱۲٫۰۰۰ متر مربع وسعت دارد. فضاهای موجود در آن را می‌توان به فضاهای انسانی، دامی و رفاهی تقسیم کرد. این بنا دارای چهار برج گرد در گوشه‌ها است و دو برج با قاعدهٔ نیم‌بیضی در دو سوی سردر اصلی قرار گرفته‌اند که سردر، خود در وسط دیوار جنوبی جای دارد. در دیر گچین همچنین ۴۴ اتاق مسکونی یا حجره، ۴ تالار (اصطبل) بزرگ، مسجد، شبستان خصوصی (دستگاه مستقل و بخش اعیانی)، انبار علوفه، آسیاب، حمام و ۶ چشمه توالت وجود دارد. مصالح به‌کاررفته در دیر گچین آجر، آهک، خشت و گچ است. مسجد به صورت چهارطاقی است، احتمالاً در محل آتشکده‌ای ساسانی ساخته شده‌است، و در آن هیچ‌گونه تزییناتی دیده نمی‌شود. در اطراف کاروانسرای دیر گچین تعدادی بنا به‌صورت مجموعه وجود دارد؛ مانند دو آب‌انبار در پشت ضلع غربی و نزدیک به حمام، یک کوره آجرپزی، یک آب‌بند و قبرستانی متعلق به دوران اسلامی در ضلع جنوب غربی است که روی قبرهایش را با آجر پوشانده‌اند. در ۵۰۰ متری شرق کاروانسرا، بنایی خشتی‌گلی از دورهٔ قاجار وجود دارد که به‌شکل قلعه است و فقط یک دروازهٔ ورودی دارد.

متون متعدد تاریخی از کاروانسرای دیر گچین نام برده و موقعیت و بنای آن را توصیف کرده‌اند. از آن میان می‌توان به الأعلاق النفیسة (ابن رسته اصفهانی)، صورالاقالیم (اصطخری)، سفرنامه ابودلف (الرسالة الثانیة)، المسالک و الممالک و صورة الارض (ابن حوقل)، احسن التقاسیم فی معرفة الاقالیم (شمس‌الدین مقدسی)، سیاست‌نامه (خواجه نظام‌الملک طوسی)، مجمل التواریخ و القصص (ناشناس)، نسائم الاسحار (منشی کرمانی)، و رساله ذهابیه (کاظم‌خان کاشانی) اشاره کرد.

سازمان میراث فرهنگی این کاروانسرا را در تاریخ ۱ مهر ۱۳۸۲ با شمارهٔ ثبت ۱۰۴۰۸ به فهرست آثار ملی ایران افزود. پس از ثبت ملی بنا در ۱۳۸۲ مرمت اضطراری در آن آغاز شد، که تا سال ۱۳۸۵ ادامه داشته‌است.