悬空寺以西为正，大门朝南，整个建筑由南向北扩建而成，越往北走地势相对越高越狭窄。寺院由三部分组成，每部分都有一座三层式的楼阁，内设悬梯连接。第一部分是一个标准的寺院布局，由于建于悬崖峭壁之间，所以将一个平面的寺院布局立体化了。第一层是禅堂;第二层是大雄宝殿的两个配殿，为比肩式楼阁。真正体现“悬”的地方是第二部分和第三部分。
两座楼之间飞架悬空栈道连接，半插飞梁为基，巧借岩石暗托。插入岩石里的横梁使用当地产铁杉，事先用桐油浸过，起到防虫防腐作用。之前先将木楔置于洞内，后将横梁插入，因石洞口小肚大，外边用力越大里边咬合就越紧，这样固定的横梁就把压力传到了岩石上。在横梁的下面用木柱支撑，这些木柱长短不一，有的着力，有的则虚设，甚至可以晃动，根本不受力，悬空寺像这样形似虚设、可以晃动的支柱有十多根。当然，这些虚柱不仅仅是作为装饰用的，一般情况下并不吃力，一旦承重压力增大，就起到一柱顶千斤的作用，从而使悬空寺形成一座似虚而实、似危而安、危中见俏的奇特建筑
悬空寺的选址充分显示出它的合理性，没有花费巨大的劳力去改造地貌，而是因地制宜，巧妙地利用峭壁的凹凸部分依势造殿，显示出各殿阁的主次错落和强烈的节奏感。寺庙建筑半藏绝壁之中，上有巨崖掩护，两旁又有突出的石壁遮挡，下雨时雨水顺崖而下，正好滴在寺庙前檐流入峡谷，避开了雨水对殿宇的侵蚀;山风吹来两旁突出的石壁减缓了风势，减少了对寺庙的威胁。另外，对面高耸的恒山主峰天峰岭遮挡太阳，相对缩短了寺庙的光照时间，就是日照时间最长的夏至时节，每天也只有三四个小时。这些因素是悬空寺巍然屹立1500多年，仍然保持原有风采的重要原因。
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