牛首山佛顶宫属于深坑建筑，佛顶骨舍利长期供奉之所，总建筑面积近10万平方米，主体建筑共9层，地下利用矿坑建设了6层，规模宏大，在世界佛教建筑中也是少见的。其外部空间分为大穹顶、小穹顶和佛顶摩崖三大部分；内部空间共九层，地上三层、地下六层，由禅境大观、舍利大殿和舍利藏宫三大空间构成。佛顶宫呈半圆状，整体造型是以巨型莲花托起佛顶发髻的摩尼穹顶，直径超过200米，辉煌壮观。整个佛顶宫不仅是珍藏佛祖顶骨舍利、接受信众瞻礼参拜的主要场所，还是将舍利文化、世界佛禅文化以各种艺术手法集中呈现的文化展陈场所。

小穹顶基座为莲花宝座造型，整个莲花宝座共由象征佛陀无量智慧的56座飞天菩提门，以及象征吉祥如意的56根云门如意柱组成，与小穹顶摩尼宝珠上下结合，形成“莲花托珍宝”的神圣意象。

佛顶宫建筑以供养为主题，共分为大小穹顶两部分，寓意为外供养与内供养，大穹顶长度为120米，形如佛祖袈裟，既与牛首东峰呼应，又覆盖在地宫小穹顶之上，象征佛祖无量加持。小穹顶整体犹如佛祖发髻，单个为双手合十造型，寓意千万信众对佛祖供养。

千佛殿中心最惹人注目的是供奉佛祖顶骨的舍利圣塔。塔高21.8米，造型基于大报恩寺鎏金七宝阿育王塔造型，取象于敦煌莫高窟中的倒立须弥山形中心柱，象征了清净庄严的华藏世界。