本書雖屬地誌性質，而大體上是順著遊歷行程的次序(但與《慈恩傳》所載不盡同)編纂的。全書可分為三個部分，即第壹卷順著西行的往程，記述高昌迤西的北道三十四國；從第二卷至第十壹卷，順著遊歷印度的行程，記述五印度八十二國；第十二卷順著離印度回國的歸程，記述西域南道二十二國。全書卷首有敬播的序(麗刻大藏本)及於誌寧(舊作張說)的序(宋、元、明刻大藏本)，卷末附有辯機撰的記贊。各卷內容，大略如次：
第壹卷，前有玄奘自序壹小段，次依印度古代的世界構成說，敘述四天下及瞻部洲形狀，四方國土的特征等。次總序黑嶺以東西域諸國的概況。以下正敘西域阿耆尼、屈支、跋祿迦等以至雪山以南的迦畢試，***三十四國。第二卷，先總敘印度概況，包括名稱、地勢、度量、歲時、都邑、衣食、語文、教育、宗教、族姓、兵制、刑法、禮儀、醫療、喪葬、行政、租稅、物產以及貿易、貨幣等項。以下依次分述北印度濫波、那竭羅喝、健馱邏三國。第三卷，敘述北印度烏仗那等八國。第四卷，敘述北印度磔迦等五國，及中印度波理夜呾羅等十國，***十五國。第五卷，敘述中印度羯若鞠阇等六國。第六卷敘述中印度室羅伐悉底等四國。第七卷，敘述中印度婆羅痆斯等五國。第八、第九兩卷，敘述中印度摩揭陀國。第十卷，敘述中印度伊爛拏缽伐多等四國，東印度迦摩縷波等七國，及南印度憍薩羅等六國，***十七國。第十壹卷，敘述路次傳聞，先附出印度以外的僧伽羅國，次敘述南印度恭建那補羅等七國，西印度阿難陀補羅等三國，南印度鄔阇衍那、擲枳陀二國，中印度摩醯濕伐羅補羅國，西印度信度、茂羅三部盧二國，北印度缽伐多國及西印度阿點婆翅羅等五國，中間記述路次傳聞，附出印度以外的波刺斯國，***二十三國。第十二卷，敘述西域漕矩咤等二十二國。於各卷中附帶提到的還有覩貨邏故國(見第壹卷)，洛護羅等三國(見第四卷)，室利差呾羅等六國(見第十卷)，那羅稽羅等四國(見第十壹卷)，都邏折摩馱那和納伐波故國(見第十二卷)，***十六國。
本書記述西域和印度各國，自以玄奘遊歷期間(即公元第七世紀的四、五十年代間)的情況為主，但對各國政教興衰，舊史往事以至民間傳說，也有聞必錄，保留了很多古代史料。至於佛教方面，則當時各國佛法的傳播概況，以及過去的史跡，都記載特詳。或敘述佛滅後諸重大史事(如三次結集等)，或上溯佛在世時代(如佛出家、成道、說法等事)、或佛出世以前(如過去諸佛等)的重要故事，記述範圍上下涉及千余年，大部分是印度佛教史上極寶貴的資料。
本書敘述各國，壹般都列舉國境山川、疆域大小、國都、氣候、物產、風俗、語文、衣食住以及著名城市等等，次專述有關佛教事項。對於西域諸國，特別註意記述種族、王統及其建國的傳說，語文的異同，它們相互間的聯系或隸屬的關系。其間述及生活於跋祿迦和羯霜那兩國之間的窣利族的人種風習，及覩貨邏故地分治的情況，都是其他典籍所未詳的東方民族史料。
本書敘述當時佛教的傳播情況，極為詳盡，這是本書的壹大特點。當時五印度以外的西域五十六國中，佛教傳播達二十余國，以奉小乘說壹切有部的占多數。此外，惟小乘說出世部盛行於梵衍那國，大眾部在安呾羅縛國則僅存三寺、數十僧人。盛行大乘佛教的有漕矩咤、瞿薩旦那、迦畢試等國，都有寺院逾百，僧徒眾多者至萬余人。大小乘兼學的有活國。其在印度方面，當時中印度羯若鞠阇國戒日王統治勢力遍及於殑伽河流域全部的時期，治境包括北、東、南印，政治重心已由摩揭陀北移至羯若鞠阇；本書第二卷總敘印度概況，蓋以這壹帶所見聞的為主。在五印度八十二國中，佛教流行達七十三國，其中奉小乘教的約四十五國，奉大乘教的十七國，大小乘兼學的十壹國。小乘教以正量部為最盛行，南印摩臘婆特盛，西印信度等國次之。其次為上座部，以南印達羅毗荼為盛(印度以外的僧伽羅國亦盛行上座部)。其他小乘部派惟說壹切有部較盛，余則寥落無聞。大乘教以北印烏仗那和中印的憍薩羅、東印的烏荼為盛。摩揭陀與羯若鞠阇，都為大小兼學的中心地。就這些記載看，雖個別地方佛教還盛行，而壹般實已趨於衰頹了。
關於佛教史跡，本書於各地見聞所及，都記載無遺，而對摩揭陀方面尤詳。舉凡與佛陀的本生、降誕、成道、說法、入滅以及分舍利、建塔、造像等有關的遺跡，佛滅年日的傳說，諸大弟子遺事以及佛滅後歷次結集，部派分裂，阿育王、迦膩色迦王建立石柱、造塔等事項，著名的伽藍、勝跡等，都就各地分別記述。尤其值得註意的是關於歷代諸大論師的記述，從迦多衍那、馬鳴、龍樹、提婆、無著、世親、陳那、清辯、德慧、安慧、護法、以及脅尊者、童受、世友、法救、如意、眾賢、德光，以迄當時的大家戒賢、勝軍等，都備載學行和諸重要論書的制作因緣，對於印度佛學史的研究，提供了極重要的資料。雖於年代記載有僅據傳聞而未加精確考證的地方，但無損其史料的價值。他如在教學上起過很大作用的那爛陀寺的沿革、規模和學風，在藝術上有卓特成就的阿折羅窟寺的宏麗雕刻，都是佛教在印度學藝史的偉跡，後代湮沒無聞，而在本書中都有詳細的記載。佛教以外，如尼乾子教派在各地的傳播，大自在天、那羅延天、日天、[禾+芻]那天等崇拜，以及著名的天祠等，亦都有記述。
本書內容雖以遊歷見聞為主，但其素材多取自西域和印度古籍，或訪問耆舊，同時也參考中國古師的行傳，象法顯的《歷遊天竺記》等，並間有改訂舊說之處(如第十卷憍薩羅國五層伽藍建立因緣，第十壹卷僧伽羅國開國傳說等)。其中附記土俗、博物，豐富多采，尤多前史所未聞。是故本書壹出，當時學者都驚為奇制，在著述中競相援用，如唐道宣著《釋迦方誌》，道世著《法苑珠林·感應篇·聖跡部》，慧立撰《大慈恩寺三藏法師傳》，都以它為主要典據。官書如《新唐書》等於此亦多采用。又本書是兼有行記性質的地誌著作，對於各國各地間的途程方向，距離裏數，記載很詳備，其間計算雖偶有彼此參差處，但比較推尋，仍可得其實落。如現代印度對那爛陀寺遺址的發掘，以及阿折羅石窟的發現，得本書之力極多，可證其記載之正確性。又本書所譯地名，譯音精確，壹無省略，尤為特點。有些地名譯者，經過還原為梵語，還可從名稱的來源上推出那地方的自然環境和文化生活的風貌。總之，本書記載全面，精確，已成為現代研究西域和印度史學、古地誌學、考古學的主要參考書，在學術上實有其不朽的價值。
本書記載各國，有親到其地的，也有得之傳聞的，書中並未壹壹標明，僅僅在記各國方位時，用從何方行至某國，或但說從何方至某國，這樣壹種體例來表示區別(見辯機《記贊》)。但因本書撰述時行文偶有疏忽，以致間或脫漏行字(如第壹卷記順縛芻河下流到達呾密，從呾密經活國到達縛喝，都脫“行”字)。又或誤書“行”字的(如第十卷的秣羅矩咤國)。這些都可從《慈恩傳》對勘出來。依敬播的序上說，本書所載壹百三十八國中，傳聞的二十八國。現在即從上述體例，並經訂正後，推定那二十八國，應該是[悍-旱+市]悍、彌襪賀、劫布呾那、屈霜儞迦、喝悍、捕喝、伐地、貨利習彌伽、赤鄂衍那，忽露摩、愉慢、鞠和衍那、鑊沙、珂咄羅、拘謎陀、縛伽浪、紇露悉泥健、忽懍、呾刺健(以上見第壹卷)，缽露羅(見第三卷)，尼波羅(見第七卷)，秣羅矩咤(見第十卷)，僧伽羅、波刺斯(以上見第十壹卷)，阿利尼、曷羅胡、缽利曷屍棄尼(以上見第十二卷)。除此諸國而外，即為所親踐者壹百壹十國。
本書於清代乾隆初年，曾經工布查布譯為藏文(日本大谷大學圖書館現藏有此寫本)。近百年內，又有法文譯本，英文譯本，又有小野玄妙的日文譯本。關於本書的研究，以托馬斯·沃特斯的英譯本所附綜合研究的考證為前導，日本崛謙德曾據此加以補充，著《解說西域記》(東京，1912)，繼出的有足立喜六的《大唐西域記的研究》上下兩卷(東京，1942)及高桑駒吉著《大唐西域記所記東南印度諸國的研究》(東京，1926)等。