据《恒山志》记载，悬空寺始建于北魏晚期(约公元六世纪)，后经历代重修，现存建筑皆明清遗构。全寺建筑悬挂在恒山之麓的峭壁上，崖壁呈90度垂直，崖顶呈倒悬之势。寺坐西朝东，寺门南向，全寺建筑自山崖的南面向北一字排开，渐次增高。寺院呈长方形，长数十米，宽约5米，有大小殿阁四十余间。共分三组。第一组建筑以三官殿为主体，是奉祀道教之所，几座殿内供奉道教塑像。中间一组建筑是以三圣殿为主体，殿内供奉佛教造像。最后一组建筑是以三教殿为主，奉儒、释、道三教之祖。三教殿为全寺最高的建筑，为三层檐歇山顶，内奉孔子、老子和释迦牟尼像。
悬空寺的建筑构思精巧，结构奇特壮观。建筑悬梁下面以几根碗口粗的木柱支承，每层以壁间中插木梁为基，梁柱上下一体，楼阁间设有栈道相连。综观悬空寺内建筑布局参差有致，错综而不显杂乱，四十余间殿宇分布得井然有序，交叉而不失严谨，各殿阁间均有楼梯或栈道相联，楼梯或明或暗，曲折迂回，虚实相交。游人至此，登楼俯视，如临深渊;谷底仰视，悬崖若虹;隔峡遥望，如壁间雏风欲飞。
悬空寺内，还有铜铸、铁铸、泥塑、石雕等大小儒、道、佛像78尊和各种碑刻题咏，皆为珍贵的文物。