位于大悲禅院的后殿，即大悲观世音菩萨殿。殿内供奉着二十四臂观世音菩萨塑像。观世音菩萨大慈大悲救苦救难，故称大悲殿。
大悲殿的殿门之上除“大悲殿”匾额外，尚有“普渡迷津”四个大字匾额一块。殿门两侧有楹联两副。一副上联是：“行深般若五蕴皆空观自在”，下联是：“普门示现寻声救苦大悲王”，为天津美术学院教授、著名书画家孙其峰所书。另一副是天津著名书法家李鹤年所书，上联是：“慈悲法身三十二应随机普渡”，下联是：“圆通教主百千万行摄化群生”。
殿内供奉的尊观世音菩萨塑像，高3.6米，表层贴金，神态庄严，姿容动人 ；是由天津美术学院雕塑家王家斌教授亲自设计并主持，前后用了两年时间精心雕塑而成的。采用了传统雕塑艺术和现代美学透视法，使塑像具有一双慧眼，双眼的黑眼珠随观者的移动，可以直视和观看左右两面。
大悲殿内正面及两侧墙壁，皆有天津美术学院绘画系彩绘的壁画 。壁画内容是释迦牟尼佛应化事迹图，分为6幅10图，介绍了佛祖降生、成道、讲经、说法、度众生及涅槃等主要事迹。人物的刻划、构图，吸收了敦煌及唐代壁画的艺术，并依据佛门法规画成。壁画不是直接画在墙壁上，而是另立纤维做假壁，并离开殿内墙壁约十公分，这就解决了防潮问题。整个壁画是用油画布罩面，然后在画布上作画，颜料则使用塑料聚氯丙稀，这样可以保持画面长久不退色、不脱落。
