寺庙始建于西夏崇宗永安元年（1098年）历时五载，至西夏贞观三年（1103年）竣工，历经明、清两朝扩建，至今已有九百多年的历史。1996年，张掖大佛寺被国务院公布为全国重点文物保护单位。因寺大、佛大、殿大，当地又称：“大佛寺”。张掖大佛寺作为中国历史文化遗产的杰出代表，凝聚了张掖先民的辛劳和聪慧，它所承载的科学、历史、艺术价值，是研究西夏历史文化和张掖多民族融合的鲜活史书。景区对外开放的景点有建于西夏的大佛寺、明代的弥陀千佛塔、钟鼓楼以及名扬西北的清代山西会馆。其中，大佛寺是该景区的主要组成部分，为西北内陆久负盛名的佛教寺院，素称“塞上名刹，佛国胜境”。
大佛寺正殿为两层楼，重檐歇山顶，高33米，平面长方形，面宽9间，进深7间，占地总面积1770平方米。殿顶用青筒瓦笨覆盖，殿周围绕廊。殿内塑释迦牟尼涅槃像，为全国最大的室内泥塑卧佛，身长34.5米，肩宽7.5米。木胎泥塑，金描彩绘，面部贴金，头枕莲台，侧身而卧，两眼半闭，嘴唇微启。右手掌展放在脸下，左手放在大腿一侧，胸前画有斗大“卐”字符号。梵文，意为“吉祥海云相”。造像精美，比例协调，线条流畅，神态自然，相貌祥和，栩栩如生。佛像两侧塑优婆夷、优婆塞立像各一尊，背面是十大弟子悼念举哀像。南北两侧塑十八罗汉群像，形态各异，形象生动。殿内东西两壁有取材于《西游记》《封神演义》故事的巨幅壁画。构图杂而不乱，形象跃然壁上。
殿门两侧各镶6平方米见方的砖雕一块，上精雕如来佛讲经说法的故事和神态各异的诸佛像。南为西方极乐世界，上书“登极乐天”，右下方书“西方圣境”。对联为“宝殿巍峨无人量天成敬仰，金身显焕河沙凡圣共皈依”。北为佛说法图，上书“入三摩地”，右下方书“底园演法”，对联为“佛日增辉万善同归登彼岸；法轮常转十方瞻仰正菩堤”。此为中国砖雕艺术之珍品。殿门上有清代的两副楹联，其中一副是“创于西夏，建于前明，上下数百余年，更喜有人修善果；视之若醒，呼之则寐，卧游三千世界，方如此梦是真空”。
正殿后为藏经阁。明正统十年（1445年）英宗皇帝朱祁镇将正统五年（1440年）宫版印刷的经卷345种、685函、3584卷敕书颁赐给大佛寺。现藏用泥金书写的《大般若波罗密多经》等佛门瑰宝。
弥陀千佛塔，俗称土塔。塔高33.37米。相传置放着释迦摄摩胜骨灰。全塔由塔基、塔身、相轮三部分组成。塔基每边长23米，层层向上收小，共13节，华盖直径4米多，四周饰有36块铜质板瓦，悬挂着36个流苏风铃。该塔造形别致，和北京妙应寺白塔有相似之处。土塔所在的殿内已修建成了一座小型的博物馆。馆内陈列的都是在大佛寺内出土发现的历朝历代的经书、石碑、铜镜、玉雕、珍珠等珍贵文物，还有中国的古钱币和波斯银币等。
《西游记》故事壁画绘于大佛殿内卧佛身后的墙壁上，是该寺壁画中的经典之作。这幅壁画色彩斑驳，面积约15平方米，由若干个独立的故事组成，画面上有险山怪石、参天古木、奔流溪水、云雾缠绕、高山火海，反映的是“取水子母河”、“道昧放心猿”、“婴儿戏禅心”、“大战红孩儿”、“活人参果树”、“路阻火焰山”、“大圣拜观音”、“大圣闹天宫”、“观音收怪犼”、“大闹金兜洞”等故事情节，孙悟空、唐僧、猪八戒、沙僧、观音菩萨、红孩儿等人物形象刻画细致。壁画采取“通景散点式”构图法，用人、神、魔、兽、树、云、水、火、山、石等点缀其间，或动或静，或隐或现，或明或暗，极其传神。
冬季：8：30—17：30
夏季：8：00-18：00
市区内乘坐1、11、13路公交车至大佛寺站下车，步行可达。
张掖大佛寺作为历代皇室家寺院，与西夏、元、明、清王室关系密切，具有典型的宫廷建筑风格。寺院建筑群贯穿于东西走向的中轴线上，左右配殿呈对称式排列，整组建筑造型别致、布局严谨、主题突出、基调鲜明。主体建筑大佛殿是西夏建筑艺术的杰出代表，殿身由两层楼阁组成，平面构架工整规范，空间组合变换多端，给人以既潇洒自然又庄重深邃，既鲜明真切又朦胧空灵之感，体现了皇家“九五至尊”的气概。
1995年，张掖大佛寺被命名为甘肃省爱国主义教育基地。
2006年，张掖大佛寺被评定为国家AAAA级风景名胜区。
2018年，中国西北旅游营销大会暨旅游装备展上，张掖大佛寺入围“神奇西北100景”榜单。
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