مشخص‌ترین نماد و نشانه بیرونی حرم مطهر امام رضا علیه‌السلام گنبد طلایی آن است که مجاوران و مسافران با دیدن آن بنای با شکوه، سلام و درودی بر هشتمین امام نثار می‌کنند.
به گزارش ایسنا، در یادداشتی در خبرآنلاین به قلم هادی انصاری آمده است: «بنا بر نقل کتب تاریخی، نخستین گنبد بر فراز مزار قدسی حضرت امام رضا علیه‌السلام، به فرمان سلطان سنجر سلجوقی (۵۱۱ ـ ۵۵۲ ق) و به کوشش وزیر وی، شرف‌الدین قمی ساخته شد. در آن هنگام گنبد با کاشی آذین گردیده بود. گنبد آغازین همان است که اینک از داخل حرم مطهر دیده می‌شود و سطح مقعّر و مقرنس آینه کاری آن پیداست. بنا بر این سقف درونی حرم مطهر به حدود هشت قرن پیش بازمی‌گردد.
در دوران شاه طهماسب صفوی، پس از جمع‌آوری خشت‌های کاشی، گنبدی با خشت‌های طلا بر فراز گنبد پیشین بنا شد. این همان گنبدی است که امروزه در نمای بیرونی به چشم می‌آید. در شورش ازبک‌ها، خشت‌های طلای گنبد به چپاول رفت.
در سال ۱۰۰۹ق که شاه عباس صفوی از پایتخت آن روز، اصفهان، پیاده رهسپار مشهد گردید، مدتی در مشهد اقامت گزید و دستور داد که گنبد مطهر، بار دیگر با خشت‌هایی از مس و روکش طلایی پوشیده شود و این کار به دست کمال‌الدین محمود یزدی به تحقق پیوست. بر پایه آن چه در کتیبه گنبد دیده می‌شود، این کار در سال ۱۰۱۰ق آغاز شده و در سال ۱۱۱۶ق به پایان رسیده است. متن کتیبه گنبد که اثر خامه خوشنویس نامدار ایرانی علیرضا عباسی است و با قلم طلایی بر زمینه فیروزه‌ای به خط ثلث نوشته شده، چنین است:
بسم الله الرحمن الرحیم من عظائم توفیقات الله سبحانه ان وفق السلطان الاعظم مولی 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 علی قدمیه من دارالسلطنة اصفهان الی زیارة هذا الحرم الاشرف و قد تشرّف بزینة هذه القبة من خلّص ماله فی سنة الف و عشر و تمّ فی سنة الف و ستة عشر.
بنابراین، گنبدی که اینک مشاهده می‌شود، همان بنایی است که حدود چهارصد سال از ساخت آن می‌گذرد.
در سال ۱۰۸۴ق و در زمان شاه سلیمان صفوی، به دنبال وقوع زمین‌لرزه، به گنبد مطهر نیز آسیب‌هایی وارد آمد و شماری از خشت‌های طلایی آن از جا کنده شد. وی دستور داد تا گنبد بازسازی شود و کتیبه‌ای بر آن افزوده گردد که این رخداد را حکایت نماید. این کتیبه اکنون به صورت چهار ترنج در اطراف گنبد مطهر دیده می‌شود. متن کتیبه یادشده چنین است:
من میامن منن الله سبحانه الذی زین السماء بزینة الکواکب و رصع هذه القباب العلی 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 ادبی از سوی استاد و فقیه و ادیب برجسته دوران صفوی مرحوم آقا حسین خوانساری (م ١٠٩٨) صورت پذیرفته که در نوشتن متون ادبی در دوران خود، از قدرت گسترده ای برخوردار بوده است.
در سال ۱۳۵۳ شمسی خشت‌های طلایی گنبد که بر اثر گذشت زمان شفافیّت و جلای خود را از دست داده بود، در هنگام نیابت تولیت آستانه رضوی عبدالعظیم ولیان خشت‌های طلایی را از جای خود برداشتند و بار دیگر با آب طلا به روش الکترو پلیتینگ خشت‌ها را در وان‌های اشباع شده به آب طلا قرار داده و دوباره لایه‌ای تا حدود ١٧ میکرون طلا ضخامت دادند. (گفتنی است که هر میلیمتر شامل هزار میکرون است) و در جای خود نصب کردند. ولیان دستور داد هر خشتی که برداشته می‌شود، شماره‌گذاری شود که بتوانند پس از طی لایه‌گذاری طلا و پروژه ترمیم خشت‌ها، دقیقا هر خشت را در جای نخستین خود قرار دهند. کاری که مرحوم ابراهیم زرگرباشی رییس کارگاه طلاکاری گنبد مطهر امیرالمومنین ع در نجف اشرف در سال ١١٥٥ هجری که به دستور نادرشاه افشار صورت گرفت، خود انجام داده و تمامی خشت‌ها علاوه بر شماره‌گذاری و تعیین ردیف قرار گرفتن خشت بر روی گنبد و امضای خود و گاه برخی از استادان آن زمان را قرار داده که این پیش‌بینی، خود کمک فراوانی به در جا قرار دادن هر خشت نمود.
گفتنی است که مساحت گنبد مطهر امام رضا علیه‌السلام حدود ٨٥٠ متر مربع بوده که از دو بخش ساقه و گنبد تشکیل می‌گردد. 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 درونی ۸/۱۸ متر
ارتفاع از کف حرم تا بالای گنبد طلای بیرونی ۲۰/۳۱ متر
ارتفاع از اوّل طلاکاری تا تیزه گنبد ۴۰/۱۶ متر
ارتفاع سر طوق گنبد ۵۰/۳ متر
محیط خارجی ۱۰/۴۲ متر