悬空寺石窟位于城南约55公里，悬空寺又称万佛洞，建于北宋，有石刻“崇宁癸未二年（1103）四月二十八日过此以纪岁月，赵子仪奉命题”可证。明崇祯八年（1635）重修。寺西临巨壑，南连群山，东濒无定河，依壁凿洞，石窟重迭，坐南向北，依借崖势成半弧形。从山下沿陡坡迂回而上始达寺门，门顶石刻“悬空寺”三字。入门沿石可达会房，建有石窟三孔，沿此而上为三霄殿，侧有圣母行宫。其上有大小不同的方形石窟五处，可惜山崖崩毁，无路可登。循原道返回西进为大佛殿，高踞崖端，其下为一石砌高台，台下有通往佛殿大门，上刻“大佛殿”三字。再沿石阶上台顶有一大殿，正面祀立马关王，背面祀胡法韦陀。再上即达大佛洞，洞门刻“万佛洞”三字。洞内宽敞高大，中立长方形撑柱二根，柱上绘满佛像，洞顶开凿长方形天窗四处。正面塑大佛像五尊，各高三米许。四壁彩绘佛像万尊，工艺精湛，人物栩栩如生，千姿百态，极为优美。

再往西殿堂相接，有观音殿、五龙宫、祖师殿等，均系晚清、民初建筑。祖师殿洞顶石刻二龙戏珠，殿外悬挂铁钟一口，系明万历年所铸。石壁上有榆林名书法家叶兰题刻“灵应”而字。可见这里已是融佛、道于一体的寺庙。悬空寺曾是当地居民躲避战乱的栖身之地，现万佛洞内仍存有石碾、石盘等用具，石窟外壁还有多处开凿搭建的洞孔。此外，寺院内尚有姿态神奇但未予查明的稀有树种一株，与石窟本身的历史一样，亦引起了游人及有关方面的极大兴趣。