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1661年（永曆15年），鄭成功的部屬劉國軒將軍、洪旭副將等在下營地區發起奉祀玄天上帝、開天炎帝。原本僅為一茅草建築，位置約在今廟址西南1里處，俗稱廟地區。1685年（康熙24年），臺廈巡狩周昌與遷建於現址。1747年（乾隆12年）巡臺御史范威其發起增建前殿，將後殿添高3尺，形成前後殿，並塑玄天大上帝神像，鎮座大殿；殿前開挖泮月池供人飲水，稱為「埔堀仔」。1818年（嘉慶20年）後殿因年久失修而坍塌，富紳沈百萬提倡重修，再增高2尺5寸，並在廟前置石階，長1丈8尺。1891年（光緒17年）重新興建，復添高3尺。

1919年（大正8年），六姓董事會鑒於廟宇低窪，裝飾花鳥剪粘損壞，又議重修更加添高3尺6寸。1951年武承恩六姓財產管理會為增廟貌觀瞻，重修屋頂。1980年下營武承恩六姓財產管理會改組下營上帝廟管理委員會，協議改建為現代化三層樓廟宇。1983年開工，至1989年完工，大殿1樓供奉玄天上帝，2樓供奉尊佛，3樓供奉玉皇上帝，東廂鐘樓供奉開天炎帝、太陽星君，西廂鼓樓供奉延平郡王、昭明王，隔鄰為香客大樓。鄉民始稱此處為「大廟」。

1992年，為配合政府興辦公益慈善事業，將廟前泮月池改建成下營武承恩公園。2002年開工增設太歲殿和文物館，2003年入火安座，奉祀斗姆元君。近年並增設下營上帝廟文物館，收藏百年文物，計有：古香爐（康熙24年）、匾額北極聲靈（咸豐9年）、匾額高明配天（咸豐9年）、匾額帝德參天（昭和2年）、匾額玄樞運天（昭和2年）、陰陽契（萬曆45年）、下營北極玄天上帝廟沿革誌（1955年），以及舊廟之剪粘、交趾陶、泥塑、木雕等。