大殿坐北朝南,居高臨下,面臨婺江。殿面闊三間,通面闊和通進深都是12.72米,平面呈正方形,十分符合宋、元時期小型佛殿建築平面布局的特點;單檐歇山頂,有十六根立柱;縱橫都分都作三間,當心間為6.16米,與兩個次間的比例接近二比一;梁架的結構介於廳堂與殿堂之間,採用抬梁式結構,徹上露明造,全部以梁栿拼合而成,充分利用了小型木材,以小拼大,這種方法在中國現存的早期古代建築中十分罕見。大殿的斗拱,外檐的斗拱,明間用三朵,次間用一朵,都是六鋪作單抄、單下昂、單拱、素枋偷心造式的,里跳用上昂,上承第一跳的下昂后尾,既節省了大量的木材,又方便施工。這種上昂作法雖然在文獻中有記載,但在中國現存的古建築中發現的實例卻不多,因而顯得十分珍貴。天寧寺大殿屬中國古代佛教寺院建築,是中國南方現存“官式”作法的元代木結構建築之一,梁架結構上較多地保存了宋代建築的風格和特點。1979年和1984年國家撥款進行了修繕。