善化寺，俗称南寺，距离华严寺不远。
善化寺始建于唐开元年间，原名开元寺，为国立寺院。五代后晋时改名“大普恩寺”，辽末保大之乱被毁，金天会年（1128年）圆满和尚主持重修重修。明正统十年（1445年）始，明英宗赐名善化寺，把寺院作为官吏“习仪之所”，建立“僧纲司”管理全城僧众。
善化寺门前五龙壁，原是大同城南兴国寺的照壁，1980年乔迁至此。照壁长19.9米，高7米，壁面用五彩琉璃镶砌，上面浮雕着五条巨龙，上下翻飞，盘旋回绕，形态优美、雕刻精细，龙爪子、眼睛、睫毛、双须、竖发无不霸气外露，具有王者风范。
善化寺符合传统儒家思想，以北为上，建筑坐北朝南，左右对称，主次分明。唐朝是佛教发展的一个鼎盛时期，善化寺的建筑更多是保留最初唐时期的特色。善化寺利用高台使建筑逐级升高，使得院落错落有致。
主要建筑沿中轴线坐北朝南，渐次展开，层层迭高。前为山门，中为三圣殿，均为金时所建。辽代遗构大雄宝殿坐落在后部高台之上，其左右为东西朵殿。东侧为文殊阁遗址，西侧为金贞元二年（1154年）所建普贤阁。除天王殿（山门）、三圣殿、大雄宝殿和普贤阁为辽金建筑外，其余两侧配殿和钟鼓楼为明清时期建筑。
天王殿，现为山门，是中国现存金代时期最大的山门。左右次间有明塑四大天王像，横眉怒目，姿态威严。
三圣殿位于寺内中部，建于高约1.5米的砖砌台基之上，殿内采用减柱法。梁思成对该建筑有“伟大之斗栱，深远之檐出，屋顶和缓之斜度，稳固庄严，含有无限力量，颇足以表示当时方兴未艾之朝气”的评价。
三圣殿佛坛供奉有华严三圣：释迦牟尼佛、文殊菩萨和普贤菩萨，为辽金时期塑像，后人予以重装。殿内还有明代遗存的壁画。殿内两侧有金碑2通，其中金大定十六年（1176年）《大金西京大普恩寺重修大殿记》是南宋使金通问副使朱弁所撰。
大雄宝殿是善化寺之最大殿宇，前有月台，始建于辽代，金天会、皇统年间进行过修葺，但范围仅限于重布瓦顶和原件重构。大殿的柱额、斗拱、梁架等结构仍然为辽制，殿内采用减柱法。
殿内共有34尊塑像。正中供有五方佛像，正中为大日如来，两侧是东方阿閦佛、南方宝生佛、西方阿弥陀佛、北方不空成就佛，法相庄严、凝重典雅、衣纹流畅；莲座下还有弟子、菩萨侍立，是辽金原作。五方佛同为青黛螺髻，白毫，口唇、衣里均为红色，坐姿一致，不过手势和神情上都有微妙的变化，精妙绝伦，这些恢弘壮丽的辽金彩塑是中国内地现存年代最早的一批密宗造像。
殿内东西两侧砖台之上置有二十四诸天塑像，神态各异，性格鲜明。二十四诸天的名称和排列顺序学界有所争议，中央美术学院教授罗世平等人的观点为，大殿左侧以梵天为首，后接散脂大将、日天、韦陀天、地天、火天、摩利支天、持国天、增长天、鬼子母、深沙大将、焰摩天；大殿右侧以帝释天为首，后接伊舍那天、月天、罗刹天、药草树林神、风天、辩才天、多闻天、广目天、功德天、密迹金刚、水天。
殿内西、南两壁之上，绘有《弥陀法会图》等壁画190平米，仍有辽金风韵遗存，为清朝康熙二十五年（1686年）至四十七年（1708年）所绘壁画，内容均为佛教故事。
文殊阁业已被毁，现存为近现代重建建筑，普贤阁是辽金时期建筑。
