张掖古称"甘州"，自唐代安史之乱以后，一直是回鹘王廷所在地，史称"甘州回鹘"。北宋仁宗天圣六年（1028年），西夏攻占了甘州，并在八年后全面占领了河西走廊。几代西夏王均崇信佛法，因此除自中国请经及翻译、雕印佛经之外，还致力于寺塔的建设，故境内寺院林立。崇宗李乾顺统治时期（1098年），西夏国力鼎盛，著名的大佛寺就是在这一时期修建的。
据明宣宗朱瞻基《敕赐宝觉寺碑记》称：西夏时，有位叫嵬咩的僧人，一日静坐，听到附近有丝竹声音，循声寻去，却不见演奏者，疑为"天乐"。于是在"天乐"响之处掘地三、四尺，得翠瓦金砖覆盖的碧玉卧佛一具，因而就地建起了这座坐东面西的佛寺。
建立之初，规模宏大的大佛寺，由牌楼式山门和大佛殿、四大天王殿、万圣殿、藏经殿、配殿、厢房、佛塔等组成，并有双眼井、木瓜树、金塔六角亭鼎等。现存建筑有大佛殿、藏经殿、土塔三处。
主体建筑大佛寺正殿为两层楼，重檐歇山顶，高33米，面阔9间，進深7间，占地总面积1770平方米。内有释迦牟尼的侧身像，即大卧佛。卧佛为木胎泥塑，金装彩绘，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"卍"字符号。他全身长34.5米，肩宽 7.5米，光耳朵就有2米多长，是中国最大的室内卧佛像。
卧佛身后，塑有迦叶、阿难等10大弟子，殿内南北两侧还有18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"，它里面人物众多，而且有七宝池，有金翅鸟，一个突出的特点，就是所有的人物，释迦牟尼佛、阿弥陀佛、菩萨，还有宝塔，正面都是镀金的，显的富丽堂皇。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"祗园演法"，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"。
正殿后为藏经殿。明正统十年（1445年）英宗皇帝朱祁镇将正统五年宫版印刷的经卷345种、685函、3584卷敕书颁赐给大佛寺。现在，这里藏有用泥金书写的《大般若波罗密多经》等经书，其中尤以金银粉书写的经文最为珍贵。
藏经殿后为"弥陀千佛塔"，俗称土塔。塔高33.37米，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。
据说，规模宏大的大佛寺在16世纪时可容纳四五千人同时朝拜。
大佛寺与西夏、元朝皇室有着密切的关系。据记载：南宋末年，宋恭宗赵显被虏后为避祸而出家于此。信佛教的西夏太后常到大佛寺居住、朝拜，在此设道场，大作斋会。别吉太后死后，灵柩也停殡在大佛寺。元时，意大利旅行家马可.波罗来到张掖，被大佛寺的塑像精美宏伟建筑和张掖的繁华所叹引，曾留居一年之久。传说蒙古别吉太后住在大佛寺，生下大元帝国的开国君主--元世祖忽必烈，元顺帝妥欢贴睦尔也出生于大佛寺。
近千年的岁月走过，惟有大佛寺山门的楹联"卧佛长睡睡千年长睡不醒，问者永问问白世永问不明"欲说还休，引人遐思。
