大佛洞高12米，進深、寬約12米左右，是響堂山石窟中雕刻最精美、最為壯觀洞窟，也是響堂山石窟中開鑿時間最早的一個洞窟。洞窟主體工程完成于北齊初年，距今已有1450多年的歷史，洞窟的結構為中心方柱式塔廟窟。方柱的正面和兩側分別雕刻有一個佛龕，佛龕中央均雕刻有一尊坐佛像，佛兩側站立菩薩，佛學專家把這樣的佛像組合叫做“三世佛”，也就是過去佛、現在佛和未來佛。佛教中有橫三世和豎三世之說，這里的組合便是豎三世佛。一般認為，過去佛為迦葉佛，現在佛為釋迦牟尼佛，未來佛為彌勒佛。

大佛洞內精美的雕刻藝術，除表現在佛像、菩薩像等人物雕刻外，還表現在墻壁上的裝飾圖案，考古界將此定義為“寶相花”，由寶珠、相輪、蓮花組成。中國的三大石窟中，敦煌以壁畫為主，龍門和云岡石窟以雕刻為主，唯有響堂是壁畫與雕刻藝術的結合。