南北朝（420-589）时，彬县大佛寺始凿。

唐武德元年（公元618年），李世民为纪念他指挥的豳州浅水原大战和五龙坂大战中阵亡将士，在豳州（今彬县）大规模修建石窟，贞观二年（公元628年）基本建成，时称应福寺。

唐长寿二年（公元693年）千佛洞完工后，出资造像者多为达官显贵。唐大历十年（公元775年）罗汉洞建成。

唐开成元年（公元836年）十一月罗汉洞西侧石阁建成。

北宋仁宗年间，应福寺改名为庆寿寺。

明正统十三年（公元1448年）御马中官刘公偕守柳君重修大佛寺，其事见于清康熙四十二年（公元1703年）《重修大佛寺记》。从此，始称大佛寺。

康熙三十七年（公元1698年），陕西布政使黄明倡修大佛寺，到康熙四十二年成。此次修葺“改旧更制，筑台建殿”，使之成今日规模。

清同治十三年（公元1874年），总统淮军刘方伯及州直隶知州？吴钦曾等捐资倡修大佛寺。

清宣统元年（公元1909年）春，大佛寺再次修葺。

1949年，中华人民共和国成立后，大佛寺石窟由彬县文化馆监管。

1981年10月31日，成立专门保护机构彬县大佛寺文管所。

1983年9月5日，大佛寺全面整修工程动工，1985年4月竣工。

1989年，大佛寺前公路改线，避免对文物的干扰。

1991年-2002年，中德两国文物部门合作，对大佛寺石窟进行勘察研究、考古清淤、塑像保护以及工程加固等。

2006年和2012年，彬县大佛寺石窟作为“丝绸之路”的遗产点之一，列入中国世界遗产预备名单。