張掖古稱"甘州"，自唐代安史之亂以後，一直是回鶻王廷所在地，史稱"甘州回鶻"。北宋仁宗天聖六年（1028年），西夏攻佔了甘州，並在八年後全面佔領了河西走廊。幾代西夏王均崇信佛法，因此除自中國請經及翻譯、雕印佛經之外，還致力於寺塔的建設，故境內寺院林立。崇宗李乾順統治時期（1098年），西夏國力鼎盛，著名的大佛寺就是在這一時期修建的。
據明宣宗朱瞻基《敕賜寶覺寺碑記》稱：西夏時，有位叫嵬咩的僧人，一日靜坐，聽到附近有絲竹聲音，循聲尋去，卻不見演奏者，疑為"天樂"。於是在"天樂"響之處掘地三、四尺，得翠瓦金磚覆蓋的碧玉臥佛一具，因而就地建起了這座坐東面西的佛寺。
建立之初，規模宏大的大佛寺，由牌樓式山門和大佛殿、四大天王殿、萬聖殿、藏經殿、配殿、廂房、佛塔等組成，並有雙眼井、木瓜樹、金塔六角亭鼎等。現存建築有大佛殿、藏經殿、土塔三處。
主體建築大佛寺正殿為兩層樓，重檐歇山頂，高33米，面闊9間，進深7間，佔地總面積1770平方米。內有釋迦牟尼的側身像，即大臥佛。臥佛為木胎泥塑，金裝彩繪，面部貼金，頭枕蓮臺，側身而臥，兩眼半閉，嘴唇微啟；右手掌展放在臉下，左手放在大腿一側，胸前畫有斗大"卍"字元號。他全身長34.5米，肩寬 7.5米，光耳朵就有2米多長，是中國最大的室內臥佛像。
臥佛身後，塑有迦葉、阿難等10大弟子，殿內南北兩側還有18羅漢群像，形態各異，形象生動。殿內東西兩壁有取材於《西遊記》、《封神演義》故事的巨幅壁畫。構圖雜而不亂，形象躍然壁上。殿門兩側各鑲6平方米見方的磚雕一塊，上精彫如來佛講經說法的故事和神態各異的諸佛像。南為西方極樂世界，上書"登極樂天"，右下方書"西方聖境"，它裡麵人物眾多，而且有七寶池，有金翅鳥，一個突出的特點，就是所有的人物，釋迦牟尼佛、阿彌陀佛、菩薩，還有寶塔，正面都是鍍金的，顯的富麗堂皇。對聯為"寶殿巍峨無人量天成敬仰，金身顯煥河沙凡聖共皈依"。北為佛說法圖，上書"入三摩地"，右下方書"祗園演法"，對聯為"佛日增輝萬善同歸登彼岸；法輪常轉十方瞻仰正菩堤"。
正殿後為藏經殿。明正統十年（1445年）英宗皇帝朱祁鎮將正統五年宮版印刷的經卷345種、685函、3584卷敕書頒賜給大佛寺。現在，這裡藏有用泥金書寫的《大般若波羅密多經》等經書，其中尤以金銀粉書寫的經文最為珍貴。
藏經殿後為"彌陀千佛塔"，俗稱土塔。塔高33.37米，由塔基、塔身、相輪三部分組成。塔基每邊長23米，層層向上收小，共13節，華蓋直徑4米多，四周飾有36塊銅質板瓦，懸掛著36個流蘇風鈴。
據說，規模宏大的大佛寺在16世紀時可容納四五千人同時朝拜。
大佛寺與西夏、元朝皇室有著密切的關係。據記載：南宋末年，宋恭宗趙顯被虜後為避禍而出家於此。信佛教的西夏太后常到大佛寺居住、朝拜，在此設道場，大作齋會。別吉太后死後，靈柩也停殯在大佛寺。元時，義大利旅行家馬可.波羅來到張掖，被大佛寺的塑像精美宏偉建築和張掖的繁華所嘆引，曾留居一年之久。傳說蒙古別吉太后住在大佛寺，生下大元帝國的開國君主--元世祖忽必烈，元順帝妥歡貼睦爾也出生於大佛寺。
近千年的歲月走過，惟有大佛寺山門的楹聯"臥佛長睡睡千年長睡不醒，問者永問問白世永問不明"欲說還休，引人遐思。
