广化寺大约建于元朝，据《日下旧闻考》援引《柳津日记》载：“广化寺在日中坊鸡头池上。元时有僧居之，日诵佛号，每诵一声，以米一粒记数，凡二十年，积至四十八石，因以建寺。”但具体年代不详。另据明《敕赐广化寺记》碑载：元天顺元年（1328年），灵济号大舟“到庆宁寺住，至顺四年（1332年）在此寺住，发愿禁足二十年不出门，一心念佛……十年后成此大刹。”据此，广化寺的创始年代大约在1342年前后。
明清时期，广化寺“殿堂廊庑，规模宏大”，为京都有影响的佛刹。二十世纪六十年代，从大雄宝殿丹墀下发掘了两通断残石碑，一通是明弘治十年（1497年）立的《敕赐广化寺记》碑，仅存上面几句引文依稀可见，为研究广化寺的创建提供了宝贵的历史资料。另一通《正宗记》，明成化二年（1466年）建立，万历二十六年（1598）重修，刻有“广化寺开山第一代住持灵济号大舟”至第五代住持圆环及其弟子一百多人的道号法名。
清道光年间（1821－1850年）的《请书碑》中记载：广化寺“殿堂廊庑，规模宏大”，当时住持广殊法师敦请自如和尚任方丈，从此，广化寺成为“十方寺”。自如方丈圆寂后，印法法师继任方丈。自道光六年（1826年）始，历二十年，募资重修了殿堂僧舍。正如《道咸以来朝野杂记）所载：“后海北岸之广化寺，古刹中之新者。闻光绪韧年残败殊甚，后募化于恭邸，为之重修正院殿宇。”
清末民初，广化寺一度成为京师图书馆。1908年，张之洞将个人藏书存放寺中，奏请成立京师图书馆。次年获准，清政府派缪荃孙主持建馆事务。中华民国成立后，教育总长蔡元培派江翰任京师图书馆馆长，次年开馆接待读者。不久迁馆它处，广化寺又恢复为佛教寺庙。
1927年，玉山法师任广化寺住持。玉山法师注重修持，率领僧众遵守佛制寺规，实行禅净双重。寺内有“三不”制度，不攀龙附风；二不外出应酬佛事；三不私自募捐化缘。使广化寺闻名四海，有常住僧人50多人。
1938年，在当时寓居广化寺的溥心畲居士的捐助下，玉山方丈主持重修了山门殿、天王殿、大雄宝殿、万佛阁（也称后楼）以及东西配殿、配楼。为广集资金，当时还邀请了知名书画家题字作画，在中山公园水榭展开义卖，得款捐助广化寺，使修复工程圆满成功。
1939年，广化寺创办了广化佛学院，招收学僧数十人，聘周叔迦、魏善忱、修明、海岑、溥儒等佛教学者任教。后又创办了广化小学，免费招生，为贫苦困难的学生提供书籍和学习工具，直到1952年由北京市教育局接办。
1947年，当时广化寺住持玉山和尚倡议，组织广化小学董事会，在广化寺庙内成立了广化小学，校长为修明和尚。修明和尚曾去法国留学，攻读文学专业，后因故出家当了和尚，1949年后还一度出任大学教授，后来因为身体不好，又回到广化寺当和尚。广化小学开始办的是两个初级班，当时免交学费，并供给书本文具等。后逐渐健全为六年制的小学。
1952年接管后，与私立崇实第二小学和竞业小学合并，改为鸦儿胡同小学分校，是第二批接管的市立小学。
1952年9月，虚云法师来京驻锡广化寺，当时在京的佛教界人士李济深、叶恭绰、陈铭枢、巨赞及佛教徒纷纷前来参礼这位佛学大师、禅宗高僧，平静的广化寺一时称盛。“文革”前，广化寺仍作为佛教活动场所开放，基本保持了古刹旧观。“文革”中，广化寺佛像遭到破坏，宗教活动也被迫停止，但《大藏经》及佛教文物都被封存，没有受到损坏。
1957年为了保护古建，学校迁至广化寺后院的弥沱庵院内（鼓楼西大街63号）。
中共十一届三中全会以来，成为北京市佛教活动的重要场所之一。1983年，广化寺被列为汉族地区佛教全国重点寺院，也成为北京市佛教协会所在地。
1986年，北京市佛教协会成立了文物组，对广化寺的经书、字画、碑拓、法物、瓷器进行整理、鉴别。
2001年，广化寺进行了全面维修，主要建筑有山门殿、天王殿、大雄宝殿、藏经阁等四进殿堂，另有东西配殿、配楼，经过维修，殿宇油漆彩绘一新，各殿堂诸佛菩萨圣像重光金容，恢复了清净庄严的面貌。
2008年，广化寺并将在原址上结合什刹海的周边环境，完善寺院服务功能，并请求政府回复放生池。重建历史规模的广化寺，为什刹海增光添彩。
