สันนิษฐานว่าพระพุทธฉายนี้ ถูกค้นพบในสมัยกรุงศรีอยุธยาเป็นราชธานี หลังจากพบรอยพระพุทธบาท ตรงกับรัชสมัยของพระเจ้าทรงธรรม (พ.ศ. 2163-2171) ซึ่งมีรับสั่งให้ค้นหารอยพระพุทธบาทตามภูเขาทุกแห่ง จึงพบพระพุทธฉาย ณ ภูเขาแห่งนี้ สมัยที่ค้นพบพระพุทธฉายได้สร้างพระมณฑปครอบพระบรมฉายาลักษณ์ไว้เป็นสถานที่เคารพสักการะของพุทธศาสนิกชน ตลอดจนพระมหากษัตริย์ในรัชกาลต่อมา และเชื้อพระวงศ์ชั้นสูง เป็นต้น

จากพงศวดารตำนานที่ปรากฏชัดว่า "สมเด็จพระเจ้าเสือพร้อมด้วยเชื้อพระวงศ์และข้าราชการบริพาร ได้เสด็จพระราชดำเนินมานมัสการพระพุทธฉาย แล้วเสด็จไปนมัสการพระพุทธบาท เป็นต้น จนถึงกษัตริย์พระองค์สุดท้ายสมัยกรุงศรีอยุธยา สมเด็จพระเจ้าเอกทัศน์ พระองค์ได้เสด็จไปนมัสการพระพุทธฉายก่อนเสียกรุงศรีอยุธยา 3 ปี (พ.ศ. 2307) ดังปรากฏในพระราชพงศาวดารกรุงศรีอยุธยาฉบับพันจันทนมาศ (เจิม) หน้า 484 ได้กล่าวไว้ในบท "สมโภชพระพุทธฉาย" เกี่ยวกับพระพุทธฉายว่า ในสมัยพระบาทสมเด็จพระที่นั่งสุริยามรินทร์ว่า "ครั้นเดือนอ้ายเสด็จขึ้นไปนมัสการพระพุทธฉาย แรมอยู่ 3 วัน ฯลฯ แล้วเสด็จกลับมาสมโภชพระพุทธบาท 7 วัน"

จากประวัติและพระราชพงศาวดารดังกล่าวมาแสดงให้เห็นว่า พระพุทธฉายได้เจริญมาสมัยหนึ่งแล้ว ปรากฏจากหลักฐานและวัตถุโบราณนานัปการ ที่ยังปรากฏเป็นหลักฐานจนถึงปัจจุบันนี้ เช่นมณฑปที่ประดิษฐานพระพุทธบาทจำลองบนยอดเขาลม วัดพระพุทธฉาย เป็นต้น แต่เนื่องจากภัยทางสงคราม บ้านเมืองไม่สงบสุข มีการรบทัพจับศึก เกิดการระส่ำระสายเปลี่ยนแปลงแผ่นดินบ้านเมืองเดือดร้อน ดังปรากฏในประวัติศาสตร์ครั้งเสียกรุงศรีอยุธยาจนกว่าจะตั้งกรุงธนบุรี และกรุงเทพฯ ขึ้นเป็นเมืองหลวง พระพุทธฉายก็ได้ถูกทอดทิ้งมาเป็นเวลาช้านานจนชำรุดทรุดโทรมลง มณฑปเดิมซึ่งสร้างไว้ในสมัยกรุงศรีอยุธยา และศาสนสถานถาวรวัตถุต่างๆ ได้ขาดการดูแลเอาใจใส่และภัยธรรมชาติได้ทำลายเสียหายเป็นอย่างมาก

กาลเวลาได้ผ่านมาจนถึงสมัยกรุงรัตนโกสินทร์ ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้มีการบูรณะฟื้นฟูพระพุทธฉายอีกครั้งหนึ่ง ตามศิลาจารึกที่ค้นพบเป็นหลักฐานว่า "พระพุทธศาสนาล่วงมาได้ 2374 ปีมะโรง นักษัตรจัตวาศก มีพระคุณเจ้าสมภาร 4 วัด คือพระปลัดวัดปากเพรียว 1 สมภารวัดบางระกำ 1 สมภารดวง วัดเกาะเลิ่ง 1 และสมภารวัดบางเดื่อ 1 สมภารทั้ง 4 พร้อมทั้งญาติโยมได้มีอุตสาหะพากันมาบูรณปฏิสังขรณ์พระพุทธฉาย เป็นเวลาถึง 7 ปี และในปีที่ 8 พระมหายิ้ม ได้มาร่วมกับสมภารทั้ง 4 พร้อมด้วยญาติโยม ได้บูรณปฏิสังขรณ์พระพุทธปฏิมากร ระเบียงมณฑป ลงลักปิดทอง บ้างจำลองลายสุวรรณอันบวร ปฏิสังขรณ์พระสถูปเจดีย์ สร้างหอระฆัง สร้างศาลา เป็นต้น ด้านยอดเขา ได้บูรณะพระมณฑปและลานพระโมคคัลลานะขุดสระบ่อน้ำ บูรณะพระอุโบสถ และตบแต่งสถานที่เป็นเวลาอีก 3 ปี จนถึงปีฉลูจึงเสด็จตามความประสงค์ ได้จัดมหกรรมฉลององค์พระพุทธฉาย เมื่อปีเถาะ เบญจศก"

จากศิลาจารึกที่นำมาโดยสังเขปนี้ จะเห็นได้ว่าพระพุทธฉายได้รับการบูรณปฏิสังขรณ์มาในระยะหนึ่ง กาลเวลาล่วงเลยมาจนถึงรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว พระปิยมหาราช และสมเด็จพระพันวษาอัยยิกาเจ้า ได้เสด็จมาฟื้นฟูบูรณะพระพุทธฉายทรงสร้างมณฑปขึ้นใหม่เป็นมณฑปสองยอดแทนมณฑปเดิม และทรงบูรณปฏิสังขรณ์ถาวรวัตถุอื่นๆ มีเสนาสนะสงฆ์ เช่น ศาลา พระอุโบสถบนยอดเขาพระพุทธฉาย ปฏิสังขรณ์มณฑปครอบรอยพระบาทจำลองยอดเดี่ยว บนยอดภูเขาด้านตะวันออกพระอุโบสถบริเวณลานพระโมคคัลลานะ วัดพระพุทธฉาย ซึ่งยังเหลือเป็นอนุสรณ์อยู่ตราบเท่าทุกวันนี้ นอกจากนั้นพระองค์พร้อมด้วยพระราชวงศ์และข้าราชบริพาร ยังได้เสด็จไปนมัสการพระพุทธฉายอีกหลายครั้ง

ดังปรากฏในประวัติศาสตร์การประพาสต้นและจดหมายเหตุ การบำเพ็ญพระราชกุศลนับเนื่องเกี่ยวกับพระพุทธฉาย เกี่ยวกับพระอุปัชฌาย์รัน และพระอธิการรูปอื่นๆ อีกมาก ได้ทรงลงพระปรมาภิไธยย่อ จปร. ติดอยู่ ณ เงื้อมผาด้านทิศตะวันตกของพระมณฑปพระพุทธฉาย พร้อมด้วยนามาภิไธยพระบรมวงศานุวงศ์ ซึ่งปรากฏชัดจนถึงปัจจุบันนี้ ในรัชกาลต่อๆ มาก็ได้มีพระบรมวงศานุวงศ์ ได้เสด็จมาพระพุทธฉายเป็นประจำ จนถึงสมัยพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวองค์ปัจจุบัน พร้อมด้วยสมเด็จพระนางเจ้าพระบรมราชินีนาถ และพระเจ้าลูกเธอฯ ได้เสด็จมาทรงทอดผ้าพระกฐิน เมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายน 2516

พระพุทธฉายได้บูรณะซ่อมสร้างมาเป็นเวลาช้านาน ชำรุดทรุดโทรมลงเป็นอย่างมาก จนทางข้าราชการร่วมกับคณะสงฆ์เห็นว่าจะปล่อยทิ้งรกร้างไว้อีกต่อไปไม่ได้ ปูชนียสถานที่สำคัญจะถูกทำลายลง จึงได้ส่ง พระครูพุทธฉายภิบาล (นาค ปานรัตน์) มาเป็นเจ้าอาวาสเมื่อ พ.ศ. 2491 เพื่อบูรณะซ่อมสร้างสถานที่พระพุทธฉายให้เจริญต่อไป เจ้าอาวาสได้ซ่อมแซมใหญ่ โดยซ่อมที่มณฑปที่ชำรุดซึ่งสร้างไว้ในสมัยรัชกาลที่ 5 แห่งกรุงเทพฯ บนยอดภูเขาตามเดิม ส่วนมณฑปเก่าครอบพระบาทจำลองบนยอดเขายังคงไว้เป็นอนุสรณ์ ในลำดับต่อมาได้สร้างบันไดจากพื้นล่างด้านตะวันออกพระพุทธฉายขึ้นไปจนถึงยอดภูเขายาวประมาณ ๒๗๐ ขั้น เพื่อให้ความสะดวกแก่ประชาชน จะได้ขึ้นไปนมัสการพระพุทธรูปปางต่างๆ ข้างบนและภายในอุโบสถ โดยบูชารอยพระพุทธบาทจำลองและชมวิวทิวทัศน์อันสวยสดงดงาม พร้อมด้วยบูชาสักการะพระรูปพระโมคคัลลานะ ที่ได้สร้างขึ้นมาเมื่อ พ.ศ. 2526 ประดิษฐานอยู่ ณ ลานพระโมคคัลลานะ ในวิหารพระปฏิมากรเป็นประหนึ่งสังเวชนียสถานอันจะเกิดเป็นกุศลผลบุญต่อไป