炳灵寺所在积石山山岩的地质结构系细黄沙岩，易于开凿雕造，但不耐风化潮解。由于该地气候干燥，加之峭壁的高处，岩层往往突出如屋檐，对部分窟龛起着遮蔽风雨和太阳曝晒的作用，因而许多窟龛造像虽经千百年的岁月，至今仍得以相当完整地保存着。
炳灵寺的所在地理位置，地处古代中西交通要道“丝绸之路”陇西段的一条支线上。佛教徒在炳灵寺建寺开窟及造像活动，在西晋时便已开始。十六国时期，鲜卑族乞伏部贵族所建立的西秦政权，崇信佛教，一时内地及西域高僧云集于此，译经传法活动十分活跃，西秦境内的小积石山大寺沟，即
炳灵寺石窟一带，便成了当时佛教一大胜地。
“炳灵”，是藏语“十万佛”的音译，意译相当于汉语的“
千佛山”、“
万佛洞”。炳灵寺石窟的正式营建始于西秦建弘元年（420年），后历经北魏、北周、隋、唐，不断进行开凿修造，元明时期仍有修妆绘饰。现存窟龛183个，共计石雕造像694身，泥塑82身，壁画约900平方米，分布在大寺沟西岸长约200米，高60米的崖面上。石窟以位于悬崖高处的唐代“自然大佛”（169窟）以及崖面中段的众多中小型窟龛构成其主体，其中唐窟占三分之二以上，共计20窟，113龛。北朝的代表性作品如169窟的泥塑观音，125龛的石雕释迦牟尼和多宝佛等，均为炳灵寺石窟的艺术杰作。
