延安古代石窟的数量之多，工艺之精闻名全国。万佛寺与钟山石窟、石泓寺、千佛寺并称陕北四大石窟。万佛寺又名万佛洞位于延安市内清凉山上，为陕西省首批重点文物保护单位。宋代范仲淹曾作《清凉山漫兴四首》其三曰：“凿山成石宇，鑱佛一万尊。人世亦稀有，神功岂无存。”石窟依山凿石而成，主要万佛洞、三世佛洞、弥勒佛洞、释迦洞、仙人洞、观音洞等，初凿于隋唐，落成于宋代。中唐“大历十才子”之一的钱起《题延州圣僧穴》：“定力无涯不可称，未知何代坐禅僧。默默山门宵闭月，荧荧石壁昼燃灯。”可见唐代已有僧人凿穴礼佛。明弘治《延安府志》：“万佛洞内，大小石佛万余。”万佛寺已规模宏大。
万佛洞，亦称一号窟，是清凉十八洞中最大的一个，宽17米，高6.7米，深14米。窟中央有基坛，高1.43米，长11米，宽5米。基坛四角各有屏柱一根，上承窟顶。坛上有三尊泥塑佛像。上方窟顶有八角覆斗式藻井三个。门洞两壁及写壁上均凿有较大的佛龛，里面有较大的佛、菩萨像各二窟内四壁及大屏石柱上雕有形态各异的石佛万尊。东屏柱正面雕有释迦牟尼涅槃故事，弟子围棺哀泣的场面，生动感人。从造型风格看，应为始于隋唐，盛于宋，重修于金元明。1979年，世界著名物理学家李政道偕家人游览清凉山，对万佛洞给予很高评价：“宋代石雕艺术品很少，难得见到，今天能在参观革命旧址之余，观赏这些艺术佳品，真是一种莫大的享受。”其子、中国古代史专家李中青说：“这每幅石雕艺术都是国宝。”三世佛洞，亦称二号窟，洞宽5.9米，高4.6米，深4.6米，东邻万佛洞。正面北壁雕有释迦牟尼三世佛与迦叶、阿难二弟子。左壁是文殊菩萨骑狮像，右壁是普贤菩萨骑象像。两壁洞口处，对刻着威风凛凛的韦驼和增长天王像。十六罗汉壁刻刻工洗炼，神态动人。该窟为宋代作品，石雕工艺已达炉火纯青之境。
弥勒佛洞，亦称三号窟，处于三世佛洞上方。窟宽6.7米，高4.8米，深9米，建于明代。正中莲台高2米，仰坐高1.8米袒胸露腹，喜形于色的“皆大欢喜”的弥勒佛。上方窟顶有藻井一个。洞口有联云：“大肚能容容天下难容之事，开口便笑笑世上可笑之人。”洞内左右壁上雕千佛像一排，前面刻有童子拜观音等佛教故事。
释迦洞，窟内原有释迦牟尼坐像等。开凿于宋代。洞窟略呈方形，窟顶中央为仰莲藻井，四周均为棋格形藻井，现存十二格，雕有飞天、朱雀、苍龙、宝相花、几何纹、如意云纹、园林、水浪等。全部雕塑构成了一个佛教理想境界，具有强烈的艺术感染力。从风格上看，应属明代前后的作品。
清凉山万佛寺石窟艺术鬼斧神工，巧夺天工，是珍贵的历史文化遗产，得到许多有识之士的赞赏和爱护。1934年冬，著名教育家蔡元培先生听到陕北民众关于保护万佛洞石窟的呼吁后，立即上 书国民政府内务部，要求对清凉山石窟采取妥善保护措施。次年元月《西京日报》载文：“陕西省政府近准中央古物保管委员会函称，顷准国立中央研究院院长蔡元培函，以陕西肤施清凉山石佛，刀工秀致，宜酌定办法，以资保护等情。查肤施清凉山洞石佛，据原函所称，刀工秀致，罕与伦比，自应力加保护。即希贵政府令肤施县政府，一面妥为保管，一面将石佛摄具照片，编成该洞略史，及现状说明书，一并呈报本会……”蔡先生义举为中国石窟保护史留下一段佳话，也为清凉山石窟增添了一件动人的文化轶事。