대한불교조계종 직할교구 본사인 조계사(曹溪寺)의 말사이다. 862년(경문왕 2) 도선(道詵)이 창건하였다. 도선은 이곳의 산세가 1,000년 뒤의 말법시대(末法時代)에 불법을 다시 일으킬 곳이라고 예견하고 절을 창건한 뒤, 큰 암석을 손으로 갈라서 마애관음보살상을 조각하였다고 한다.
그 뒤 조선 후기까지의 중건 · 중수에 관한 기록은 전하지 않으나 북한산성을 쌓을 때는 승병들이 이 절에서 방번(防番: 보초 임무)을 서기도 하였다. 1863년(철종 14) 김좌근(金左根)의 시주로 중수하고 칠성각(七星閣)을 신축하였으며, 1887년(고종 24)에는 임준(任準)이 오층탑을 건립하고, 그 속에 석가모니의 진신사리(眞身舍利)를 봉안하였다.
1903년 혜명(慧明)이 고종의 명을 받아 대웅전을 중건하였으며, 1904년 국가기원도량(國家祈願道場)으로 지정받았다. 1961년 도선사의 중흥주인 청담 순호(靑潭淳浩) 스님이 주지로 취임하여 당시 박정희 대통령 및 육영수 여사 등의 시주로 도량을 중수하였다. 이어서 호국참회원을 건립하고 불교의 평화 염원에 입각한 실천불교와 생활불교운동을 전개하였으며, 현재와 같은 큰 사찰로 면모를 일신하였다.
현존하는 당우로는 대웅전을 중심으로 호국참회원 · 실달학원 · 백운정사(白雲精舍) · 명부전 · 삼성각 · 적묵당(寂默堂) · 천왕문 · 범종각 · 종무소(宗務所) · 요사채와 5개의 산문(山門)이 있다. 대웅전 안에는 아미타삼존불이 봉안되어 있고, 법당의 내부 벽에는 달마(達磨)와 혜능(慧能), 청담(靑潭)의 영정이 그려져 있으며, 후불탱화 · 팔상도(八相圖) · 극락구품도(極樂九品圖) 등이 있다.
호국참회원은 1977년 11월 15일에 완공한 종합 포교센터이다. 지하 1층, 지상 3층, 총 면적 1,000평의 콘크리트 한옥식 건물로, 법당 · 영사실 · 도서실 · 신앙상담실 · 수련원 등의 시설을 갖추고 있다. 국가유산으로는 1977년 서울특별시 유형문화재(현, 유형문화유산)로 지정된 도선사 마애불입상이 있다.
이 석불상은 도선이 조각했다는 마애관세음보살상으로 총 높이 8.43m이다. 영험이 있다고 하여 축수객들이 끊일 날이 없으며, 석불 앞에는 석탑과 석등이 있다. 또, 대웅전 옆의 뜰에는 보리수가 있는데, 200년 전에 인도에서 온 고승이 심었다고 한다.
부설 기구로 서울특별시 금천구 시흥동에 있는 혜명보육원(慧明保育院)을 비롯하여, 사회교육기관의 성격을 지닌 실달학원(悉達學院), 어린이불교학교, 청담종합중고등학교가 있고, 『도선법보(道詵法報)』 · 『월간 여성불교』 등의 정기간행물을 발간하며, 불교양로원도 운영하고 있다. 연중 특례행사로 음력 1일 참회정진법회, 8일 방생법회, 15일 미타재일법회, 24일 관음재일법회, 11월 15일 청담대종사재일법회가 있다.