南禅寺大佛殿面阔和进深都是三间,但宽度略大于进深,故平面略成长方形。大佛殿的屋顶为单檐歇山式,比例匀称,气宇轩昂。殿内无柱,以四根通长的椽袱直架于前后檐柱之上,并外伸。斗栱只有柱头与角科,而无平身科,梁架结构简单,屋面举折平缓(宽高之比约四比一),但出檐甚大,这是典型的唐代建筑风格。殿前还设有宽敞的月台。
大佛殿内有佛坛,长8.4米,宽6.3米,高0.7米。正中供释迦牟尼佛像,结跏趺坐于须弥座上,手作禅宗拈花印。两侧莲座上共供有十八尊唐代塑像,体态丰满,神情自若,服饰简洁,衣褶流畅,塑造手法与敦煌莫高窟的唐塑十分一致,为我国唐代雕塑之上品。