Giống như ở Thăng Long, cố đô Hoa Lư cũng có 4 vị thần trấn giữ 4 phương Đông, Tây, Nam, Bắc phù hộ cho dân chúng an cư lạc nghiệp, gọi là Hoa Lư Tứ Trấn. Nhưng khác với Thăng Long, nếu như Thăng Long Tứ Trấn mỗi thần chỉ trấn 4 ngôi đền (Bạch Mã, Voi Phục, Kim Liên, Quán Thánh) thì ở cố đô Hoa Lư, 4 vị thần trấn trạch cả một vùng không gian rộng lớn, mỗi phương có rất nhiều ngôi đền phụng thờ các vị thần tương ứng.
Trấn Đông: Thần Thiên Tôn
Thần tích kể rằng vào năm 625, hoàng hậu ở phương bắc nằm mộng thấy nuốt mặt trời, đêm đó đậu thai và sinh ra hoàng tử gọi là Huyền Nguyên, vốn là một vị thiên thần giáng thế. Lớn lên, hoàng tử dũng mãnh hơn người, chu du khắp thiên hạ tới phương nam. Tại núi Dũng Dương (Hoa Lư), ngài tu luyện 42 năm thì đắc đạo thành tiên, có thể bay lượn, biến hóa khôn lường, trừ diệt yêu ma. Ngọc Hoàng lại ban cho thanh kiếm Tam thai thất tinh và phong làm Bắc Phương Trấn Vũ đại tướng quân. Nhiều lần trừ ma diệt quỷ cứu giúp nhân dân, lại thêm chiến tích bắn rụng cánh diều của Cao Biền, về sau cũng ngay tại núi Cánh Diều thần Thiên Tôn phóng gươm mà thác hóa.
Thần Thiên Tôn có hai tướng Rùa, Rắn về sau giúp sức Đinh Tiên Hoàng khởi nghĩa, nên được vua sắc phong là An Quốc hoàng đế. Trấn Đông Hoa Lư có nhiều đền đài thờ phụng ngài, đặc biệt là Động Thiên Tôn, một di tích linh thiêng quan trọng.
Trấn Tây: Thần Cao Sơn
Cao Sơn Đại Vương vốn là Lạc tướng Vũ Lâm, con trai thứ 17 của Lạc Long Quân, khi xưa vâng mệnh Hùng Vương thứ nhất đi tuần từ vùng Nam Lĩnh đến vùng Thiên Dưỡng, đã tìm ra một loài cây thân có bột dùng làm bánh thay bột gạo, gọi là cây quang lang (dân địa phương vẫn gọi là cây quang lang hay cây búng báng). Thần dạy bảo người dân cách làm ăn trồng trọt, bảo vệ dân khỏi yêu ma giặc giã nên được lập đền thờ phụng. Về sau, thần Cao Sơn hiển linh phù trợ quân Lê Tương Dực diệt Lê Uy Mục mà được rước về thờ tại đền Kim Liên (Hà Nội) và trở thành trấn Nam của Thăng Long Tứ Trấn.
Lưu ý rằng, thần tích ở nhiều nơi khác vùng đồng bằng sông Hồng cũng kể về các vị thần khác cũng có tên là Cao Sơn, trùng tên nhưng không phải vị Cao Sơn ở Hoa Lư. Trong đó có một tích phổ biến nói rằng thần Cao Sơn tên thật là Hiển, em họ của Tản Viên Sơn Thánh và có công giúp Hùng Vương thứ 18 đánh quân Thục (thờ ở Thái Bình, Bắc Ninh, Bắc Giang…).
Trấn Nam: Thần Quý Minh
Quý Minh Đại Vương là anh em ruột của Cao Sơn Đại Vương (phiên bản Cao Sơn ở Bắc Ninh, Bắc Giang), cả 2 vị đều là em họ của Tản Viên Sơn Thánh. Đời Hùng Vương thứ 18, có hai vợ chồng nọ đến chùa Thiên Thai cầu tự. Từ đấy sinh ra một bọc hai con trai, đặt tên là Cao Sơn và Quý Minh. Ngài là một vị thủy thần, cùng anh trai Cao Sơn trợ lực Tản Viên Sơn Thánh đánh bại Thủy Tinh, lại dẫn đạo quân đánh dẹp Thục Phán An Dương Vương, về sau du ngoạn trên núi Tản thì sấm chớp gọi về trời mà thác hóa. Ngài được phụng thờ ở nhiều đền đài khắp vùng Bắc Bộ, là vị thần trấn Nam thành Hoa Lư.
Trần Bắc: Thần Không Lộ
Ngài chính là Lý Quốc Sư Nguyễn Minh Không, hay gọi là Đức Thánh Nguyễn. Ngài được thờ ở nhiều chùa chiền Bắc Bộ, trong đó có chùa Bái Đính ở phía bắc cố đô Hoa Lư, nơi chính ngài góp công xây dựng. Tại Hoa Lư, thần tích về ngài còn được cường điệu hóa lên như một vị thần, là thần Khổng Lồ có thể đi lại bay lượn trên không, tạo ra những hòn núi, hang động, hồ đầm.
Thần tích về ngài còn có câu chuyện chữa bệnh hóa hổ cho vua Lý Thần Tông, chuyện đúc chuông đồng gõ lên gọi được trâu vàng phương bắc.
