公主寺始建于北魏年间，现存除毗卢殿和大雄宝殿为明弘治年间（1488-1515年）的遗构，其余皆为清代（1616~1911年）所建。
据《繁峙县志》卷二载：“后魏诚信公主建，唐唯德禅师重修。”可知公主寺始建于北魏，为北魏文成帝（452-465年）第四女诚信公主始建，故称公主寺。北魏诚信公主曾在此出家，后毁于兵火。唐代有一尼姑来到此地，在遗址地下掘得尺璧，献给武则天，武则天敕令于此处重建公主寺。今公主寺旁边还有一座小寺叫附马庙，民间传说是诚信公主的丈夫出家修行的地方。
公主寺前较为开阔，走入山门，正面是过殿，左右各修一个小院，每个小院里坐南朝北各建有一座戏台。
公主寺其中较有价值的是建于明代的过殿和大雄宝殿，过殿内保存有200余平方米的明代壁画，大雄宝殿内有明代壁画90余平方米，其水陆壁画与永乐宫水陆壁画并称「南北双珠」。
过殿为明代建筑，正德元年（1506年）重修，中间为毗卢佛结跏趺坐于台上，身侧立大梵天和帝释，其后方塑足踏莲子观音菩萨像，其左右两边放置了尺寸不大的善财童子与龙女，应当是后世塑造，并非明代的。塑像上方皆为悬塑，有山水人物、亭台楼榭，形态逼真、色彩鲜明。过殿内东西壁砌有高约90厘米的长坛，坛上分塑十八罗汉悬塑，山云气象恢宏卓绝。
大雄宝殿水陆壁画绘制于明弘治十六年（公元1503年），由东壁、西壁、南壁东西次间和北壁五幅组成，以佛、仙、道、鬼神为主题，绘有480多个神邸、人鬼，大者1米，小者60厘米，以水陆壁画中惯用的“攒三聚五”法描绘，各色人物三五成群、疏密相间，既自成体系，又彼此联系，阵容强大，线条流畅，参差有序，将儒释道三教融为一体，构成了诸仙礼佛、众神赴会的宏大场面。
东壁以卢舍那佛为中心，据说按照武则天的形象塑造，结跏跃坐于莲台，袒胸披赤。四大菩萨分列左右，周围环绕天王、金刚、帝释梵天等神袛形象。画面颜色以红绿两色为主，其中全身为红色的文殊菩萨最为显眼。五台山为文殊菩萨道场，公主寺为北台古寺，凸显文殊菩萨也在情理之中。神奇的是，在众多佛教菩萨和道教神仙汇集的画面里，有一个人背向大殿，面向佛祖，虔诚跪拜。据说，此人是得道高僧，也是画中唯一的人。
西壁呈“凸”字形，以弥勒佛为中心，与卢舍那佛对称，身体庞大，袒肩露胸，大肚子滚圆突出，腰部青紫色内衣在下腹部打结，左手搭在膝盖上，右手作触地印，只露出半只脚。上方第一和第二层的前半部分，属于华严体系中的诸多菩萨。第二层后半部分，佛左侧以地藏菩萨为首，引领十八典狱众，还有第三层后半部分的地狱道鬼神、亡魂等赴会。墙壁两侧还绘有星宿神、三官神等道教神袛赴会。主佛两边绘制着菩萨、罗汉、金刚等诸神礼佛、群仙赴会的壮观场面。
南壁是儒道佛人物中的鬼神，被门分割成东次间和西次间。东次间共绘四层，共15组60身，与之相对的西次间，共绘四层，17组65身，均是采用层层排列、三五成群的组合。
北壁壁画漫漶严重，分三部分，共绘11组17身。其画面东西两部分对称，中间部分为《六子闹弥勒图像》，东西两边各绘制五大明王，以大肚弥勒佛为中心。
公主寺明代彩塑、大面积壁画和悬塑，皆是明代中期的艺术瑰宝。所有塑像的彩绘和壁画的珠冠、法器、盔甲、兵器、衣褶等均采用沥粉贴金，壁画笔工彩重，笔法极其细腻，着笔处工稳谨严，须发之间毫发入微，用色极丰，刻画人物姿态各异，造型特异、笔意双绝，堪称“山西明代寺院壁画的顶峰之作”。
水陆画起源于三国时期，自金代至元、明、清时期盛行的佛教寺院为超度亡灵，普济水陆一切鬼神而举行的一种重要佛事用绘画。水陆画是水陆法会上供奉的宗教人物画。
壁画所用颜料多以矿物颜料及金属颜料为主，如石青、石绿、赭石、雄黄、泥金、朱砂、靛青等。虽历经岁月，若无外力破坏，会经久不衰、其色如初。李仲明在其《营造法式》书中对沥粉的用法做如下说明：「用土粉为基料，砸碎、细研、过筛，加胶水搅拌成均匀的粥状，然后装入特制的粉囊，通过粉尖挤出，如笔勾线一样在画面施彩。」
