牛首山和青铜峡的历史悠久。远古时期，这一地区处于昆仑秦岭地槽褶皱区走廊过渡带的东端，靠近祁（连山）吕（梁）山字形构造的脊柱部分，在地质历史时期，是一个相对坳陷的活动地区。
大约距今6亿—4.4亿年的寒武——奥陶纪时期，东部华北海域的贺兰山海槽与西部祁连海槽恰在宁夏境内相汇，海水茫茫，是深海向浅海过渡的大陆斜坡地带，属于“南方古海”的北缘。
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到泥盆纪时期，西面的祁连山海槽已褶皱隆起成山。东面的牛首山，南面的烟筒山和菊花台（此二山在今中宁南面）一带地势低洼，湖泊星罗棋布。
距今1.4亿年的侏罗纪末期，地球上发生过强烈的造山运动，贺兰山、牛首山崛起，形成山脉。
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距今240万年前，黄河上中游地区被多个内陆湖泊占据。湖泊之间彼此独立，互不相通。130万年前，黄河兰州至禹门口段形成。8万年至1万年前，黄河水系才基本定型。中卫、中宁一带原为“庆阳湖”，后来随着地壳的变动及湖水的冲刷，才出现了青铜峡。
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在七八千年前的新石器时代，祖先就在牛首山对面黄河西岸不远的贺兰山系的鸽子山、芦沟湖一带，使用了石斧、石臼、刮削器、尖锤器等生产工具和质地坚实细腻且有几何图形纹饰的罐、碗等夹沙陶器，从事原始的农牧业生产。以后他们又从山坡高地逐步向河边平坦地带拓展。
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夏、高、周时代，羌戎部落和人们已在黄河两岸山前的台阶上分散居位，以狩猎、畜牧或采集植物为生。
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青铜器时期以后，先民们在峡口附近的贺兰山牛首山前的巨石上，凿刻了许多动物和狩猎岩画，既表现了他们的思想和生活，又为人类创造和保留了凝固的艺术化石。
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秦始皇并吞六国后，牛首山青铜峡地区属秦国北地郡的富平县（址在今青铜峡市的峡口乡）管辖。根据《汉书地理志》记载，始皇32年（公元前215年），派大将蒙恬率兵30万，“北筑长城而守藩篱，却匈奴七百里，收复河南地”，筑44城，用制险塞，迁内地犯事居住在这里进行垦种，还没了神泉障（军事屯兵处，因山上有泉故名）。书上还载：“神泉障，蒙恬所筑。”它以西黄河、南牛首为屏障，是秦在宁夏黄河两岸与匈奴作战的军事要塞之一。据说大西天寺就建在神泉障的旧址上，在英武峰顶的瓦砾中，偶尔还能拣到绳纹砖的碎片，系秦汉建筑遗物。
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北魏以后，黄河开始有了河运业，牛首山下的青铜峡自然是要津了。唐朝中叶，吐蕃的势力由青藏高原东进，占据了谓河上、中游，进六盘山顶而逼关中，使原来丝绸之路的南北道完全中断，灵州西域道应运而生。它从长安到彬县，经甘肃庆阳、环县到灵州（今吴忠境内），再经上河峡（青铜峡）、中卫到河西走廊。这条道路自北魏开始，经唐、宋、西夏、蒙元的九百多年间，常和西段丝绸之路相连接，把西域的商旅货物运入华北，或经鸣沙（在今中宁县境）、灵州转运到关中。元代诗人马祖常的诗《河西歌效长吉林》描述了当时的盛况：
贺兰山下河西地，女郎十八梳高髻。
茜茛染衣光如霞，即如瞿昙作夫婿。
紫驼载锦凉州西，换得黄金铸马蹄。
沙羊冰脂蜜脾白，筒中饮酒声澌澌。
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明代管律的《牛首者碑记》称牛首寺庙“越千百的始盛于今日”。滴水寺的碑文也说“此寺创建于唐贞观，重修于明万历”，想来与丝绸之路有关吧。明朝万历年间，广武游击石栋征候费阁碑记的标题是《重修西夏牛首山寺佛阁记》。清初湖广提督、广武人俞益谟《重修牛首山正顶说法台并制藏经碑记》称“牛首山为西夏名胜”。西夏以前的牛首山寺没有文字记载，历史学家范文澜在《中国通史》一书中说，牛首山寺创建于汉唐以来，可见牛首山的历史很久远了。
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明代崇奉佛教，牛首山寺经过多次扩修，规模空间，牛首山有寺庙群13座以上，且座座“轮翼运，势若凌霄，所供释迦观音，昔为土躯而已，今铸之以铜，抹之以金，登山纵目，则层壶峻宇，复道飞甍，辉煌数量琨耀，远尔相射”，十分壮观，被誉为“四镇灵景，朔方名刹”。只可惜由于明嘉靖40年（公元1561年）和清康熙48年，附近发生了两次7.25级大地震，“牛首山一带，寺宇倾颓，佛像损坏，此山之一大劫数”，后虽又重修，但规模不如从前。特别是清朝同治年间，双遭兵，使牛首山寺更加颓蔽。民国年间再次重修牛首山寺，后在“文革”期间又被全部毁坏。现在山上的几十座寺庙，都 是70年代末期以来陆续修建的，惟有部分砖石结构的墙壁和砖雕及表现佛教文化的对联被保存下来。
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