2009년 보물로 지정되었다. 중앙에 비로자나불회도 중심으로 왼쪽에 약사불회도, 오른쪽에 아미타불회도가 배치되어 있다. 비로자나불과 아미타불, 약사불을 세 폭으로 나누어 그린 것으로, 각 화폭은 주존을 중심으로 좌우에 타방불, 보살, 10대 제자가 배치되었고, 화면 좌우와 상단에 사천왕과 팔부중, 금강 등이 배치되어 있는 설법도 형식을 취하였다.
중앙의 비로자나불회도는 비로자나불을 중심으로 좌우 협시보살인 문수보살과 보현보살이 각각 여의(如意)와 연꽃을 들고 시립하였으며, 그 위로 타방불, 아난존자와 가섭존자를 비롯한 10대제자, 보살 등이 좌우 대칭으로 배치되었고, 화면의 상부와 하부에는 호법신인 사천왕과 팔부중, 금강, 용왕, 용녀 등이 비로자나불을 감싸듯 배치하였다. 불단 아래에 핀 연꽃은 여의주와 용뿔을 담은 항아리를 떠받들 듯 받치고 있다. 약사불회도는 약함을 든 약사불을 중심으로 일광보살과 월광보살을 비롯한 보살들이 좌우 일렬로 배치되어 있으며, 두광 주변에 10대제자가 배치되었다. 화면 가장자리에는 사천왕, 상단에는 약사12신장, 팔부중 등이 약사불의 설법을 외호하고 있다. 아미타불회도는 좌우에 팔대보살과 사천왕, 상단에 10대제자, 팔부중이 층을 이루며 배치되었다. 세 폭 모두 본존을 중심으로 많은 존상을 배치하였는데, 존격이 낮은 나한과 신장 등은 화면 상단에 작게 그려 화면 내에서 공간감을 살렸다. 채색은 황토색 바탕에 홍색, 녹색을 비롯한 노란색, 하늘색, 초록색 등이 적절하게 조화를 이루고 있으며 담채색에 가까운 색감은 18세기 초반 불화의 색채적 특징을 잘 반영하고 있다. 이 불화는 수화사인 천오(天悟)를 비롯하여 금명(錦明), 최훈(最熏), 적조(寂照), 지순(智淳), 조한(祖閑), 임한(任閑) 등이 그렸는데, 18세기에 통도사를 중심으로 활약한 임한이 제작에 참여하고 있어 천오와 임한의 사승관계를 엿볼 수 있다는 점에서도 주목된다.
조선시대에 많이 조성된 삼불회도는 석가모니불화와 아미타불화, 약사불화로 구성된 삼세불화(三世佛畵), 비로자나불화와 석가불화, 노사나불화로 구성된 삼신불화(三身佛畵)가 일반적이지만, 이 불화는 비로자나불화와 아미타불화, 약사불화로 이루어져 있어 삼세불화와 삼신불화를 결합한 형식을 보여준다.
현재 기림사 대적광전의 비로자나불과 아미타불, 약사불 뒤에 각각 후불탱화로 봉안되어 있다. 손상이 심한 녹색은 개채(改彩)를 해서 원형이 손상되었다.
이 불화에서와 같이 비로자나불을 중심으로 아미타불과 약사불을 결합한 삼세불 형식은 중국 남송대에서부터 나타난 형식이지만, 우리나라에서는 조선후기에 이르러 불화에서 일부 볼 수 있는데 기림사 비로자나삼신불화는 그중 가장 이른 예에 속한다. 이후 이와 같은 구성을 이루는 삼불회도는 1840년에 원담 내원(圓譚 乃元)과 익찬(益贊) 등이 제작한 선운사 벽화로 이어졌다.