牛頭寺位于長安區韋曲鎮東南少陵原畔，距西安城約12公里，是唐代樊川八大寺之一。寺踞原畔勛陰坡，遠眺終南諸峰，翠屏萬仞，俯視樊川，稻畦蔬町，溪桃堤柳，煙水明媚，在唐代不僅為佛教名剎，也是長安城南風景勝地。唐代詩人司空圖《牛頭寺》詩：“終南最佳處，禪誦出青霄，群木沉幽寂，疏煙泛泬寥。”寫出牛頭寺的風景清雅幽靜。
牛頭寺建于唐貞元十一年(795)，又一說始建于唐貞觀六年(632)，宋太平興國年間(976—983)改名為福昌寺，元佑元年(1086)復名牛頭寺至今。據張禮《游城南記》載，唐代的龍堂塔院尚存，寺內有徐士龍所撰碑(到明代已佚)。寺宇建筑宏麗，又有杏花坪，九龍潭諸名勝。武則天曾到此觀賞過，并賦詩《游九龍潭》紀勝，寫道：“巖頂翔雙鳳，潭心游九龍，酒中浮竹葉，杯上寫芙蓉。”把她置身于秀美環境中飲宴的雍容華貴情景，寫得真切生動，讀之令人神往。九龍潭泉水甘冽，千百年來取之不竭。據《咸寧長安兩縣續志》記載，清光緒二十六年，八國聯軍攻陷北京，慈禧太后挾光緒帝西逃駐蹕西安時，每天派人取泉水供其飲用。今寺前坪臺下有“九龍潭”標志，仍有一小股清澈的泉水汩汩向下自流。元末明初，寺院漸衰，明嘉靖五年(1526)，為紀念唐代偉大詩人杜甫，在寺內建杜工部祠，后又移于寺東院。
關于牛頭寺何以得名，有一個有趣的故事。傳說牛頭寺的第一祖師遍照禪師，其道行高于凈業寺的律宗創始人道宣律師。一日，遍照應道宣邀請赴宴，遍照知其有比高下之意，屆時負一牛頭前往赴會。道宣以禮相迎，并設宴招待，但因柴火不繼，菜肴未能及時做好，遍照一再催促，并說：菜即未妥，我負一菜，請試用之。遂將所負牛頭置于案上，自己大嚼起來，道宣驚異。遍照吃罷，堅辭離去，道宣隨后追至灃峪口外，見遍照正在峪右破腹洗腸，從而深知遍照禪師的道行高于自己。從此，人們將遍照禪師稱為“牛頭師”，將其所創建的寺院稱為“牛頭寺”。
明代，牛頭寺作為秦王朱樉藩邸香火院，自然會得到修葺和保護。趙崡《游城南》記說： “寺，地勝如華嚴而莊嚴過之。”說明當時寺容的景況。清光緒年間，臥龍寺方丈東霞禪師增修山門、佛殿和左右廊廡。民國時期，寺院雖衰，而殿宇仍存。1931年，太虛大師的《辛未陜西雜詠八首》有“杜順清涼塔尚留，華嚴禮罷禮牛頭”之句。可見牛頭寺在近代還為宗教學者所重視。
解放初，寺仍占地20余畝，有大殿五間，后殿(法堂)五間，金剛殿三間及僧寮十余間。寺塔毀于民國年間，但后殿內毗盧遮那佛像及“牛洞”內韋馱、伽藍像尚存。大殿前有石經幢二，一為沙門詞浩書，乾符六年(879)立的陀羅尼經幢，另一為不空三藏奉制譯的阿阇如來根本滅惡趣陀羅尼經幢。寺住—僧， “土改”中自由離去，后為縣文教單位占用。大殿在70年代由于危漏被拆除，后殿內佛像“文化大革命”中被砸毀。近年來，在落實宗教信仰自由政策中，僧人果林發愿，住持寺事，在政府有關部門支持下，各方募資，重修殿宇。
現在的牛頭寺，有重新修復的佛殿(原法堂)五間，有金剛殿三間，西廊房五間，大小窯洞六孔，另有新建僧客房五間，住僧五人。佛殿建筑古雅，雕梁畫棟，墻壁丹青，莊嚴宏麗。佛殿右前方有唐植龍爪槐一株，樹身高丈許，牛已枯朽，而支干旁逸橫出，盤曲如龍，枝葉婆娑垂地；左前方，以奇絕著稱的千年“四季柏”，樹身扭曲倒伏，雖老態龍鐘，猶枝葉蒼翠，生機勃勃。有名的唐乾符陀羅尼經幢依然豎在殿前，風雨剎蝕，字跡概認不清。
牛頭寺，現為縣級重點實物保護單位。左鄰杜公祠；右側坪臺下有楊虎城將軍陵園，三者毗連，各有千秋。寺內花木蔥郁，濃蔭蔽日，實為今日西安城南的游覽勝地。
