굴불사지 사면석불은 매몰된 상태로 방치되어 있다가 발굴했다.  400여 점의 유물이 출토됐으며, 여러 차례 중수 또는 중건을 알 수 있다. 조각이 새겨진 암석은 자연암반을 그대로 사용한것으로 알았는데 발굴조사결과 인위적으로 옮겨 조각한 것으로 보았다. 
이곳 굴불사지 사면석불은 매몰된 상태로 오랫동안 방치되어 있다가 1910년 무렵 일본인이 처음으로 조사했다.24) 이후 1981년에는 국립경주박물관이, 1985년에는 국립문화재연구소 경주고적발굴조사단이 전면 발굴했다(도1). 발굴조사를 통해 서면 아미타여래삼존입상의 연화대좌와 동면 약사여래좌상의 매몰되었던 무릎아래부분이 새롭게 알려졌으며, 통일신라 소형금동여래입상과 고려시대 소형동종, 金鼓, 와편 등 400여 점의 유물이 출토됐다(도2). 아울러 사면불을 중심으로 한 법당터도 확인되었는데, 고려시대 층위에서 신라 초석 일부를 확인할 수 있었고, 통일신라 토기편도 발견되어 이곳 굴불사가 통일신라에 시작되어 고려를 거쳐 조선시대까지 여러 차례 중수 또는 중건이 있었음을 알 수 있다. 조각이 새겨진 암석은 발굴 전까지는 현장에 있던 자연암반을 그대로 활용했을 것으로 여겼으나, 발굴조사결과 인위적으로 이곳으로 옮겨 조각한 것으로 보았다.