歷史上，關于炳靈寺的記述，曾見于北魏人酈道元《水經注》卷二“河水”條，《水經注》中記曰：“河峽崖傍有二窟。一曰唐述窟，高四十五丈。西二里，有時亮窟，高百丈、廣二十丈、深三十丈，藏古書五笥。”從記載中可見，這里風光清麗，千峰競秀，崖如刀劈，極適宜寺窟寺院的建造。
西漢前此地域為羌人聚居地，據考證，北魏前此窟稱“唐述窟”。所謂“唐述”，即羌語“鬼窟”之音譯。故積石山稱為唐述山，河水亦稱唐述水，表明它曾是羌族勢力統轄的地區，也可見此地在古人眼中是神秘莫測的地方。同時，此地又是“絲綢之路”隴西段的交通要道，它是取道青海到達流沙，中亞西域通往西亞的必經之地。故有“絲綢之路”右南線“臨津古渡”之稱。西秦乞伏氏曾花費三年功夫在附近黃河上架橋，號稱“橋高五十丈”，所以西秦曾選此地為國都。
相傳，晉代名僧法顯當年就是從這里渡黃河赴印度取經，并留有他的題記。西秦氏信佛法，并聘中原和西域著名高僧曇摩毗、玄高等為護國大禪師。曇弘、玄紹諸僧也到過西秦。高僧玄紹就在炳靈寺“蟬蛻而逝”。由此可知，當時的西秦已有“鑿仙窟以居禪”的風氣。至唐代，唐述山已成為佛教叢林，改稱靈巖寺，強勝的吐蕃王朝政權也一度占領此地。到宋代，篤信佛教的吐蕃贊普王朗達瑪第五世孫確斯羅于1032年建立了以青唐（今西寧）為中心的確斯羅藏族政權，占有整個河州地區，炳靈寺也隨之為其所有，唐之靈巖寺才改稱為藏語音譯的炳靈寺，方沿用至今。
據釋道世《法苑珠林》文獻記載，炳靈寺石窟的開鑿歷史可上溯到“晉泰始年”，即公元265年。在炳靈寺眾多的洞窟中，歷史最為久遠的，最重要和最有價值的是坐西面東的169號窟。1962年在窟中的第6龕發現有西秦“建弘元年（公元420年）歲在玄枵三月二十四日造”的墨書題記，此外，還在僧人供養像中發現有“大禪師曇摩毗之像”的題記。在第3龕存有“大代延昌四年（公元515年）”的墨書題記等。169窟的題記是迄今為止中國現存石窟中有明確紀年的最早造像題記。比敦煌莫高窟發現的最早題記還要早整整100多年。169窟題記的發現對研究炳靈寺石窟的建造年代提供了可靠的依據，同時，對全國其它石窟的斷代研究也具有重要的參考價值。此后，炳靈寺石窟又歷經北魏、北周、隋、唐、五代、宋、元、明等各朝代的不斷開鑿、營建、修葺、擴建，其間包括吐蕃王朝時期、確斯羅藏族政權時期及其后藏傳佛教的長期經營，規模逐漸擴大，形成了僅次于敦煌石窟寺的具有藏漢兩種風格的著名石窟寺。
公元676年，稱雄青藏高原及中亞的吐蕃王朝藏族政權在中國西部諸民族中已形成自漢、魏以來最強大的軍事帝國。吐蕃王朝疆域的不斷擴大，藏傳佛教文化向東發展影響也廣泛深入。公元763年，吐蕃占領隴右這一地區后，此地除有吐蕃軍人駐扎外，還有大批吐蕃移民北上東遷，在炳靈寺石窟建造了無數雕像和壁畫，并對佛窟進行了重修和重繪，藏傳佛教文化開始直接對這些地區產生著影響。尤其是在藏傳佛教后宏期的元代薩迦時期，由于元世祖忽必烈尊藏傳佛教為國教，得勢的薩迦教派僧人入駐炳靈寺，將炳靈寺前代洞窟內的壁畫進行了大量的重繪，佛教造像藝術在炳靈寺得到興盛發展。其后隨著元朝的衰落，薩迦派在西藏的地位由噶舉派取而代之，從而使噶舉派在炳靈寺也有一定的傳播和影響，炳靈寺地處偏僻深幽的洞溝內開鑿的石窟大多是噶舉派僧人所建，其風格顯得格外幽深神秘。其間也有藏傳佛教噶當派僧人入駐炳靈寺弘法傳教，開窟造像。
從明永樂年間興起的格魯派是對炳靈寺影響最大的教派，被永樂皇帝封為“大慈法王”的宗喀巴第四大弟子絳欽卻杰代表宗喀巴進京朝覲時，曾兩次路過炳靈寺宣講佛法教義。其后格魯派在寺院內相繼進行了一系列的弘法活動，對炳靈寺的寺院建筑、洞窟、壁畫等連續兩次進行了重修、重繪，在炳靈寺重繪的窟龕中，格魯派壁畫占了百分之八十以上。并且，還重新開建了一些新的洞窟，從而形成了炳靈寺石窟漢藏佛教并存的獨特風貌。[1]
