天平１３年（７４１年）、全国各地に「国分寺」及び「国分尼寺」建立の聖武天皇の詔勅が発され、上総・下総・安房の３国に国分寺が建立されました。
特に上総の国（現在の市原市一帯）は古代関東の中心地の一つであったことから、上総国分寺・国分尼寺の規模は全国有数で、特に上総国分尼寺は全国最大と言われています。

国分寺薬師堂は桁行３間・梁間３間のいわゆる三間堂といわれる形式で、正面に１間の向拝（こうはい：ひさしのこと）が設けられています。
屋根は茅葺の入母屋造で、建物内部には内陣天井に植物文様の絵、外陣に竜および飛天が描かれています。
堂内の墨書銘から正徳５年（1715）頃の建立とわかり、厨子もほぼ同時期に造られたものと考えられています。