Theo dã sử và thần tích tại đền thờ của bà, sau khi bà trở về Thăng Long thì theo di mệnh của Thái Thượng hoàng, công chúa xuất gia ở núi Trâu Sơn (nay thuộc Bắc Ninh). Công chúa thọ Bồ tát giới và được ban pháp danh Hương Tràng (香幢) .

Cuối năm Tân Hợi (1311), Hương Tràng cùng một thị nữ trước đây, bấy giờ đã quy y đến làng Hổ Sơn, huyện Thiên Bản (nay thuộc Nam Định), lập am dưới chân núi Hổ để tu hành. Sau đó, am tranh trở thành điện Phật, tức chùa Nộm Sơn hay còn gọi là Quảng Nghiêm Tự.

Bà mất ngày mồng 9 tháng giêng năm Canh Thìn (1340) Dân chúng quanh vùng thương tiếc và tôn bà là Thần Mẫu và lập đền thờ cạnh chùa Nộm Sơn. Ngày công chúa mất sau này hàng năm trở thành ngày lễ hội đền Huyền Trân trên núi Ngũ Phong ở Huế.

Các triều đại sau đều sắc phong công chúa Huyền Trân là thần hộ quốc. Nhà Nguyễn ban chiếu ghi nhận công lao của công chúa Huyền Trân "trong việc giữ nước giúp dân, có nhiều linh ứng", nâng bậc tăng là "Trai Tĩnh Trung Đẳng Thần"

vì chuyện tình với Trần Khắc Chung, và cuối cùng là việc Thượng hoàng Trần Nhân Tông qua đời năm 1308 đã làm Huyền Trân kiệt sức. Chỉ trong vòng 2 năm, những khổ đau dồn dập khiến bà hoang mang chán nản không còn thiết tha với cõi đời. Mùa xuân năm 1309, sau hơn một năm về lại Thăng Long, Huyền Trân công chúa bỏ hết lầu son gác tía theo cha quy y cửa Phật, làm bạn với câu kinh tiếng kệ tại núi Trâu Sơn (nay thuộc Bắc Ninh) dưới sự chứng minh của Quốc sư Bảo Pháp và được ban pháp danh là Hương Tràng.