仙游寺始建于隋文帝开皇十八年(598)，称“仙游宫”。隋仁寿元年(601)，杨坚为了安置佛舍利，于十月十五日命大兴善寺的高僧童真送佛舍利至仙游宫建塔安置，改称仙游寺。唐大中年间(847—859)，宣宗李忱将仙游寺拆建为三寺：黑河南岸的名仙游寺（亦称南寺），河北名中兴寺（亦称北寺）另一寺已于宋以后的战乱中损毁。明代英宗正统六年(1441)，仙游寺由西域喇嘛桑加巴主持，修复扩建，易名普缘禅寺，明末毁于兵燹。清代康熙二年(1663)募捐重修寺院，恢复仙游寺的原名，乾隆、道光年间以及民国初年，再次修葺。
仙游寺现存清代正殿，内有泥塑佛像，前檐东西两墙画有哼、哈二将，正殿两侧有耳房，东西两侧还有厢房20余间，殿前有一口明代铁铸大钟。在正殿的西北约60米处，有隋代修建的法王塔。塔身七层，通高35米，底层每边长8.7米见方。法王塔的塔檐由十三层砖叠涩与反叠涩出檐，塔身各层正南面各有一券门，塔刹已毁。塔身逐层收分减高，叠涩出檐，形制属密檐式塔。法王塔的北面20米处，有一石条砌筑的明代喇嘛式逼水塔，四方形塔座，覆钵形塔本。在正殿东面40米处，有一石彻喇嘛式普通塔，四方形石座覆钵形塔身，塔刹基本完好。
白居易于元和元年(806)应举考试及第，奉命为周至县尉，在这里写下了千古绝唱《长恨歌》。黑河北岸的中兴寺，原有殿宇20余间。正殿东南面的3间大房，有清代道光年间书写的“苏公藏书处”匾额，传为宋代苏东坡读书处，现已毁殆尽。
仙游寺地势险阻，唐末黄巢、明末高迎祥、清末曹沛都曾屯兵于此。