康熙44年(1705年)，一位法名叫成衡(字湘南)的高僧来到天津，见这一带景色优美，于是就在离南门三里的官道东侧修建起一座宝刹，起名普陀寺。因为周围地势宏阔，普陀寺显得格外壮观、宏伟轩昂，以致这里香火鼎盛，名噪一时。1719年，康熙南巡时驾临普陀寺，工于诗画的成衡和尚对答如流，康熙皇帝龙颜大悦，赐名普陀寺为海光寺。不但赐写了匾额“随处湘音”，而且赐给了海光寺两副对联，一副是“香塔鱼山下，禅堂雁水滨”，另一副是“水月应从空法相，天花散落映星龛”。平桥积雪绿杨夹岸寺周美景甲津门
上有所好，下必趋之。皇帝的青睐着实为海光寺带来了好运，以致官商纷纷捐金，对海光寺进行大规模修缮和扩建。扩建后的海光寺不但殿宇弘敞，而且围绕海光寺半里处开凿两道水渠，这就是海光寺的内河与外河，河边植柳万株。两河向北通护城河，东南通贺家口，向南有水闸控制导入海河潮水，内外河缺水干旱时就从外引水，内外河涨水时就排放出去。
海光寺成名后，其周围的环境也大为改观。当时的“津门十景”中，有所谓“平桥积雪”，即指寺北的一座西平桥雪后景观。一场大雪过后，通往西平桥的路面与桥面之上铺满了厚厚的积雪，踏过桥面的几行脚印延伸入寺中；一些飞鸟驻足在庙宇的屋檐之上，寄希在寒冷的冬日找到果腹的食物。平桥积雪为冬日寺院的特有景象，一时传为津门佳话。寺南建有南平桥，通向周围百余村镇；寺西北角桥下通官道，桥头有草屋数座；桥南绿杨夹岸，掩映红莲，春夏游人，人头攒动，所以这座桥被称为欢喜桥。传说，当时海光寺周围还遍植葡萄，所以也称海光寺为葡萄寺(学者怀疑为普陀寺之音讹传)。
1736年，乾隆路过天津时，为海光寺亲笔题写匾额，之后又陆续为海光寺写下了大殿额“普门慧镜”，大殿对联“觉岸正光明如水如月，法流大自在非色非空”；御书楼联“春物熏馨含慧业，名禽婉转入闻思”。海光寺因此声名更隆，时有高僧前来。外敌入侵寺中签约屈辱条约污宝刹
为这处风景绝佳的佛门圣地带来屈辱破坏，乃至万劫不复之厄运的，是第二次鸦片战争和八国联军的侵华。咸丰八年(1858年)5月20日，英法联军攻占大沽炮台，联军兵舰沿海河上行，于26日到达东浮桥，并盘踞于三岔河口一带，清军在海光寺外扎营。咸丰皇帝大惊，急忙派出大学士桂良、吏部尚书花沙纳赶往天津查办。
桂良和花沙纳到天津后，见海光寺建筑华美，陈设精良，且周围有清军驻防，于是选定在海光寺楼先后宴请英、俄、美三国公使。当时俄美两国因为急于得到好处，条约很快议定，而英法自恃大军压境，态度极为蛮横，甚至拿出自己拟好的条约56款，逼二人签字，而且一个字也不让改。英国公使额尔金威胁再不签订条约，将带兵北上进攻北京，清政府只得让步。6月26日，中英《天津条约》在海光寺签字，额尔金在来海光寺时，竟然带着30多乘轿子，荷枪实弹的士兵500多名作为卫兵，英国的各级官员数十人，吹吹打打进了海光寺，将海光寺的院子都挤满了。第二天，法国公使也带来了200多名士兵耀武扬威地前来，美俄两国虽然没有这样蛮横，但也照样盛气凌人。从这时起，海光寺变成了中国近代史上国家备受凌辱的见证，海光寺也因此得了一个诨名——签约寺。
咸丰十年(1860年)英法联军再次攻陷大沽，并占领天津城，联军在河北望海寺设北营，城南海光寺设南营，这是海光寺第一次被外国侵略军占领。咸丰十一年，联军才因《北京条约》的签订和天津开埠，悉数从海光寺撤出。八国侵华荡平庙宇古寺惨遭灭顶灾
第二次鸦片战争后，清政府开始重视国防的现代化和加强京畿防务，决定购置外洋军火机器，在天津设局制造。同治六年(1867年)，三口通商大臣崇厚把购办的蒸汽机、化铁炉、和旋床等设备安置于海光寺周围的新建厂房内，作为天津军火机器局的分局，称为西局，主要制作枪炮并为东局机器做修配工作。史书记载：西局有八厂，共屋百余间，环于海光寺外。
海光寺最后一次接待要员是在光绪十二年(1886年5月)，主持海军衙门的醇亲王奕奉慈禧懿旨巡视天津、大沽及烟台、旅顺等海防，设于海光寺周围的西局为重要参观点之一。全寺在醇亲王到来之前只因年久失修，椽梁油漆脱落，殿内进行一些粉刷修饰，院落之间施置以格板，就成为了醇亲王的临时行辕。可见，当时的西局工厂并未对海光寺的主体建筑造成破坏，对寺庙的保护还是非常重视的。
光绪二十六年(1900年)八国联军的侵华使海光寺遭到彻底破坏。在1900年7月9日，日军在俄、美、英军的配合下，将海光寺占领，庙宇全被毁坏。从此海光寺彻底消失，片瓦不存，仅余一条被外国人命名的海光寺大道(今西康路)，以及一口富有传奇色彩的大钟。