مشخص‌ترین نماد و نشانه بیرونى حرم مطهر امام رضا علیه‌السلام، گنبد طلایى آن است که مجاوران و مسافران با دیدن آن بناى با شکوه، سلام و درودى بر هشتمین امام نثار مى‌سازند.
بنا بر نقل کتب تاریخى، نخستین گنبد بر فراز مزار قدسى حضرت امام رضا علیه‌السلام، به فرمان سلطان سنجر سلجوقى (511 ـ 552 ق) و به کوشش وزیر وى، شرف‌الدین قمى ساخته شد. درآن هنگام گنبد با کاشى آذین گردیده بود. گنبد آغازین همان است که اینک از داخل حرم مطهر دیده مى‌شود و سطح مقعّر و مقرنس آینه کارى آن پیداست. بنا براین سقف درونى حرم مطهر به حدود هست قرن پیش بازمى‌گردد.
در دوران شاه طهماسب صفوى، پس از جمع آورى خشت‌هاى کاشى، گنبدى با خشت‌هاى طلا بر فراز گنبد پیشین بنا شد. این همان گنبدى است که امروزه در نماى بیرونى به چشم مى‌آید. در شورش ازبک‌ها، خشت‌هاى طلاى گنبد به چپاول رفت.
در سال 1009ق که شاه عباس صفوى از پایتخت آن روز، اصفهان، پیاده رهسپار مشهد گردید، مدتى در مشهد اقامت گزید و دستور داد که گنبد مطهر، باردیگر با خشت‌هایى از مس و روکش طلایى پوشیده شود و این کار به دست کمال‌الدین محمودیزدى به تحقق پیوست. بر پایه آن چه در کتیبه گنبد دیده مى‌شود، این کار در سال 1010ق آغاز شده و در سال 1116ق به پایان رسیده است. متن کتیبه گنبد که اثر خامه خوشنویس نامدار ایرانى علیرضا عباسى است، و با قلم طلایى بر زمینه فیروزه‌اى به خط ثلث نوشته شده، چنین است:
بسم الله الرحمن الرحیم من عظائم توفیقات الله سبحانه ان وفق السلطان الاعظم مولى ملوک العرب و العجم صاحب النسب الطاهر النبوی و الحسب الباهر العلوی تراب اقدام خدام هذه الروضة المنورة الملکوتیة مروّج آثار اجداده المعصومین السلطان ابن السلطان ابوالمظفر شاه عباس الموسوی الصفوی بهادرخان. فاستسعد بالمجیء ماشیاّ على قدمیه من دارالسلطنة اصفهان الى زیارة هذا الحرم الاشرف و قد تشرّف بزینة هذه القبة من خلّص ماله فی سنة الف و عشر و تمّ فی سنة الف و ستةعشر.
بنابراین، گنبدى که اینک مشاهده مى‌شود، همان بنایى است که حدود چهارصد سال از ساخت آن مى‌گذرد.
در سال 1084ق و در زمان شاه سلیمان صفوى، به دنبال وقوع زمین‌لرزه، به گنبد مطهر نیز آسیب‌هایى وارد آمد و شمارى از خشت‌هاى طلایى آن از جا کنده شد. وى دستور داد تا گنبد بازسازى شود و کتیبه‌اى بر آن افزوده گردد که این رخداد را حکایت نماید. این کتیبه اکنون به صورت چهار ترنج در اطراف گنبد مطهر دیده مى‌شود. متن کتیبه یادشده چنین است:
من میامن منن الله سبحانه الذی زین السماء بزینة الکواکب و رصع هذه القباب العلى بدرر الدراری الثواقب ان استسعد السلطان الاعدل الاعظم و الخاقان الاکرم الافخم اشرف ملوک الارض حسبا و نسبا و اکرمهم خلقا و ادبا مروج مذهب اجداده الائمة المعصومین و محیی مراسم آبائه الطیبین الطاهرین السلطان بن السلطان شاه سلیمان الصفوی الموسوی بهادرخان بتذهیب هذه القبة العرشیة الملکوتیة و تزیینها و تشرّف بتجدیدها و تحسینها اذا تطرق الیه الانکسار و سقطت لبناتها الذهبیة التی کانت تشرق کالشمس فی رابعة النهار بسبب حدوث الزلزلة العظیمة فی هذه البلدة الکریمة فی سنة اربع و ثمانین و الف و کان هذه التجدید الجدید فی سنة ثمانین و الف. کتبه محمدرضا امامی.
انشاء این متن زیبا و ادبى از سوى استاد و فقیه و ادیب برجسته دوران صفوى مرحوم آقا حسین خوانسارى (م ١٠٩٨) صورت پذیرفته که در نوشتن متون ادبى در دوران خود، از قدرت گسترده اى برخوردار بوده است.
در سال 1353 شمسى خشت‌هاى طلایى گنبد که بر اثر گذشت زمان شفافیّت و جلاى خود را از دست داده بود، در هنگام نیابت تولیت آستانه رضوى عبدالعظیم ولیان خشت‌های طلایی را از جای خود برداشتند و بار دیگر با آب طلا به روش الکترو پلیتینگ خشت‌ها را در وان‌هاى اشباع شده به آب طلا قرار داده و دوباره لایه‌ای تا حدود ١٧ میکرون طلا ضخامت دادند. (گفتنى است که هر میلیمتر شامل هزار میکرون است )و در جای خود نصب کردند. ولیان دستور داد هر خشتی که برداشته مى‌شود، شماره‌گذارى شود که بتوانند پس از طى لایه‌گذارى طلا و پروژه ترمیم خشت‌ها، دقیقا هر خشت را در جاى نخستین خود قرار دهند. کارى که مرحوم ابراهیم زرگرباشى رییس کارگاه طلاکارى گنبد مطهر امیرالمومنین ع در نجف اشرف در سال ١١٥٥ هجرى که به دستور نادرشاه افشار صورت گرفت، خود انجام داده و تمامى خشت‌ها علاوه بر شماره‌گذارى و تعیین ردیف قرار گرفتن خشت بر روى گنبد و امضاى خود و گاه برخى از استادان آن زمان را قرار داده که این پیش‌بینى، خود کمک فراوانى به در جا قرار دادن هر خشت نمود.
گفتنى است که مساحت گنبد مطهر امام رضا علیه‌السلام حدود ٨٥٠ متر مربع بوده که از دو بخش ساقه و گنبد تشکیل مى‌گردد. این گنبد با سیزده هزار و یکصد خشت طلا پوشیده و آذین گردیده شده است.
ابعاد گنبد به این شرح است:
ارتفاع از کف حرم تا زیر سقف گنبد درونى 8/18 متر
ارتفاع از کف حرم تا بالاى گنبد طلاى بیرونى 20/31 متر
ارتفاع از اوّل طلاکارى تا تیزه گنبد 40/16 متر
ارتفاع سر طوق گنبد 50/3 متر
محیط خارجى 10/42 متر
