在莫高窟艺术宝库中，尤以奇彩异绘的壁画最著名，被誉为“世界艺术画廊”。敦煌壁画容量和内容之丰富，是当今世界上任何宗教石窟、寺院或宫殿都难以媲美的。环顾洞窟的四周和窟顶，到处都画着佛像、飞天、伎乐、仙女等。有佛经故事画、经变画和佛教史迹画，也有神怪画和供养人画像，还有各式各样精美的装饰图案等。这些壁画运用现实主义、浪漫主义和象征主义相结合的创作方法，通过线描造型、夸张变化、散点透视、以形写神等种种技法，创作了以奉佛为宗旨，以现实生活为素材的神人结合形象和宗教幻想境界。敦煌壁画就其本质来说，属于佛教艺术，但由于它根植于社会人群，反映了各时代劳动人民现实生活及其苦难与欢乐、挣扎与向往，同现实、社会、人生有着血肉联系。因而这些壁画尽管同样是以表现佛经内容为目的，但展现出来的却是社会生活。其中有狩猎、耕作、打鱼、收割、推磨、春米、盖房等劳动图景，有婚丧、嫁娶、旅行、作战、行医、剃度、洒扫等社会生活画面，有学校、酒肆、屠房、旅店等场所的活动场面，有车船、犁杖、连枷、纺车、织机等生产运输工具形象的描绘，有亭台、楼阁、奇塔、宫殿、院落、桥梁等古代建筑图样，还有音乐、舞蹈、杂技等艺术活动的写照。这些内容丰富、数量浩大、技艺卓越的壁画艺术向人们展示了公元4世纪到14世纪千余年间中外经济、文化交流的历史图景，为后世人了解和研究那些久已消失的历史往事提供了难得再现的感观信息。至于那些种类繁多、富于变化、色彩绚丽的图案纹样如花鸟草虫、山水云树、藻井背屏等，游人从中可以看到古人对美的捕捉和开拓，又可以成为现代工艺美术学习借鉴的范本和从事研究的实物资料。
莫高窟壁画之所以那样引人注目，不只因为它内容丰富，更重要的是形式多样，时代特色十分鲜明。可以说在那数万米的巨大画廊中，到处都有艺术珍品，精美之作比比皆是，艺术形式各领风骚。莫高窟早期壁画主要是北凉、北魏、西魏和北周时期壁画，以说法图和本生故事为主，佛教经变画较少。这时期壁画的艺术特色是，画面简朴凝重，线条遒劲有力，受中西文化交流影响十分明显。如现有最早的北凉时期的洞窟壁画中的佛陀端坐说法图，佛陀神气木讷，衣饰和衣折是典型的犍陀罗式样，人物造型源以印度的“凹凸法”。即用朱色作圆圈，用白色勾勒鼻梁、眼珠等，有浓郁的西域气息。北魏时的石窟壁画有明显的“秀骨清像”风格，石窟中那西来的佛陀菩萨，着有中原丝质的薄衣。轻纱透体，软滑贴身，中原盛行的“曹衣出水”技法直接以衣纹表达形态。当然，其中也不乏结构宏大之作。如北魏第248窟南北壁之说法相。佛都被画在中心部位，躯体健壮，庄严神圣，侍立两侧的菩萨因不受行住坐卧四威仪之限定，姿态较为自由，活泼多姿，在浓烈的宗教气氛中流露出生活情趣。西魏时期，将中原的衣冠文明、南朝的名士风流和西域的表现手法融为一体，出现了混合形壁画艺术。后期的菩萨换上了褒衣博带。原来的赤足穿上了笏头履，现实生活场景也被搬上壁画。而到北魏以后南朝画风传入，人物形象开始向修长清瘦转变，与彩塑造型转向秀骨清像同趋一路，衣着服饰亦渐汉化。如北周现存的15个洞窟内的壁画，中原式的佛陀体形清瘦，身着衣履，画面装饰性强，格调潇洒清朗。而西域式的佛陀体形丰满，半裸身体，画面立体感强，气氛庄重沉静。
隋窟壁画在题材上仍以本生故事为主，但其位置多已移到窟顶周围。不像早期居于窟壁中部那样醒目传神。在构图上亦在采用异时同图、中心凸显的独幅形式，完全以横幅手卷般的连续形式来演绎故事，分段细密，表现繁杂，带有一定的装饰意味。同时，这时期的壁画说法图减少，单身菩萨像增多，造型带有更多的中原风貌，面容描绘圆润细微，图案画亦由早期的简朴自然转向明丽工整，总体装饰效果明显增强。这种脱却质朴粗犷、追求丰满华丽的渐进，开创了唐代大规模诸经变相之先声。在宗教图的世俗化方面亦开拓出新路子，人物形象更加接近现实生活，基本符合真人身体与头6．5：1的比例。因此，隋代在莫高艺术的发展史上，是一个承上启下、继往开来的时代。
唐朝是莫高窟建窟最多的朝代，至迟在公元698年时已达“窟龛千余”（现存洞窟232个，经变画约400多幅，为莫高窟宝库中最精彩的部分），这是莫高窟历史上黄金般的盛世，规模庞大的覆斗形大窟中，大幅佛教画气势恢宏，艺术达到至高境界。唐代洞窟装饰图案富丽绚烂，画壁绘有经变图，规模宏大，蔚为壮观。如规模最大且保存最好的第220窟《阿弥陀净土变》，大至18平方米。图中阿弥陀佛结跏趺坐于宝池中央莲台之上，观音、势至两大菩萨协侍左右，无数罗汉、护法天王、夜叉力士及供养菩萨拥绕四周。池中莲花盛开，座前伎乐歌舞；两侧楼台高耸，头顶碧空彩云；仙鸟振翼，飞天漫舞；花团锦簇，气象万千，艺术地展现了富丽庄严、气势宏伟的极乐天国，为唐代贵族生活的真实写照。还有同在一窟的《维摩诘经变图》中的维摩诘居士，是以中国传统线条描绘的身着华衣冠的汉人，手挥佛尘，须眉奋张，目光如矩，口唇微启，欲言未语，将一派智慧过人的中国士大夫形象活生生地映现在游人面前。初唐壁画有30多壁维摩诘经变，这是魏晋以来首先中国化的佛教画。其人物造型由清秀渐趋丰满结实，躯体比例适度，气势宏厚伟岸。中晚唐时期不仅经变种类进一步增加，而且表现格局亦由一壁一铺变为一壁多铺，故一窟之内往往可画数种经变。如中唐第159窟有经变9种，第23窟增至12种，晚唐第85窟则多达15种。纵览唐代经变画，构图雄伟，场面繁杂，人物众多。形态多样。敷彩设色鲜丽夺目，旋律情调高昂愉快，悲惨压抑的本生故事画被排除殆尽，只有引人入胜的欢歌笑语似乎在回响。这是大唐帝国荣昌之折光，是盛世之众对人生和现实新的希翼与渴望。
还应该说明的是，至晚唐时期洞窟内的壁画艺术风格已融汇了中原绘画、吐蕃遗风和敦煌地方色彩，画面中密、显、宗图像并存，密宗多变相。同时随着经变画中佛国与现实的距离拉近，壁画中出现了晚唐第156窟《张议潮统军出行图》等与佛教无关的世俗题材，将神圣的佛堂变成了直接表现现实生活的场所。游人可看到该图高有1米多，长达10多米，画面人物有250多人，前有吹号擂鼓的军乐队和高擎军旗的工队，后有护卫“旌节”的武士，中间张仪潮在文武官员的前呼后拥中骑着高头大马走上桥头。出行队列威武雄壮，人物形态逼真传神，图案装饰绚美富丽，表现场面奢糜豪华，张仪潮收复河西的历史功绩在壁画中得到充分体现。堪称莫高窟供养人画像中的宏篇巨作。总的说来，唐时形象化的画面把现实理想化，又把理想现实化。大胆而神奇的艺术创造，把佛像变成世间人，把菩萨画成慈悲为怀的女人相，使佛国充满人情味、俗世感和动态性。各式自由舒卷的卷草纹图案又使画面增加了艳丽的色彩和生命的魅力。
五代宋初，莫高窟壁画仍以经变画为主，由于曹氏洞窟形制巨大，故画面更显宏伟，但是神采气势已在黯然消退。五台图是曹氏时期的杰作，它位于第61窟两壁，阔有45平方米，是莫高窟中最大的山水画面。这幅巨图把河北正定到山西太原及五台县城周围千里的自然景色与风土人情揉和在一起，山高水远，城池巍然，楼宇耸峙，进香送贡，商旅驮运，割草推磨，饮畜舂米，多方面地展示了当时的生活场景。想象丰富，着墨豪放，画面宏大，气势雄浑。既是现存最古的形象地图，又是别具风格的山水人物彩画，其艺术价值远远超出原来的宗教范围。西夏以来，经变图大减，且构图拘谨，缺乏唐代勃勃生气，但是构筑疏朗的“绿壁画”别具风格，那供养人像、西夏文题记、龙风纹藻井图案和西夏人造型，都显示出西夏画独特的迷人魅力，对研究西夏社会具有珍贵的历史价值。元代时，藏密绘画再度涌入石窟，气息迷离，色调怪异，曼陀罗占据窟顶。如远在北端有秘密寺之称的第456窟，窟顶绘有以密教最高本尊大日如来为中心的五方佛，四壁绘满各种金刚斗法的场面，周围穿插湿婆神的化身及护法天王、奇禽异兽等，色彩斑斓，形象奇异，给人以神秘恐怖感，是我国现存藏密艺术中不可多见的精品之作。
莫高窟中这精彩绝伦的壁画艺术固然让游人美不胜收，但是那琳琅满目、各尽其妙的彩塑艺术亦同样令人赞不绝口。
彩塑是莫高窟艺术的中心和主体。自从乐傅在断崖高处架空凿岩，造一佛窟以来，历代佛门弟子和僧俗大众为敬奉和崇拜的佛教诸佛诸神塑造的彩塑多达3000余尊。虽然这些彩塑历经千余年的风雨剥蚀，使其破损甚众，但至今保存完整的彩塑仍有1400多身，是名副其实的千佛洞。
莫高窟彩塑除佛像外，又有佛弟子、菩萨、天王、金刚、力士及凌空的飞天，作为主尊的侍从和陪衬。还有众多的佛龛、龛楣、藻井、山石、云朵、龙狮、花草等装饰性塑体，有些洞窟还有贴壁影塑，与周围壁画相映生辉，绚丽多姿。莫高窟因凿于砂砾岩上无法石刻成像，古代匠师采用了雕塑艺术的雕、刻、塑、捏、贴、压、削等多种技法，其间将事先用泥范倒出的璎珞、串珠、花冠等饰物贴于成像，再用点、染、涮、涂、描等绘画技法彩装，达到泥塑为本、彩绘现质、互为补充的效果。总体来看，一般是塑其形体，绘其细部色光和背景衬托；局部来看，常常是塑制大块轮廓，不作细部交待。然后利用彩绘表现其凹凸、明暗、色彩、纹样，通过运用这些艺术手法，使塑像生动逼真、形态多姿，具有极强的形象表现力和艺术感染力。
莫高窟彩塑最精美的作品是各种人体塑像，随着历史的变迁，风格各异。如初期以单身造像为主，且多以弥勒为主尊。如北魏出现一佛二菩萨的组合造像，主尊以倚坐释迦为主。北周时又增迦叶、阿难二弟子，由一铺三身像发展为一铺五身像。主尊亦以释迦倚坐说法像为多。这时期的彩塑具有古朴、浑厚、粗犷、庄重的风格，注重面部传神而忽视躯肢刻画；衣褶以阴刻线为主，辅以贴泥条。如西魏第432窟一铺像，正中善跏坐像，面形清癯，眉疏目朗，颈项细长，体瘦衣肥，神情恬淡，举止优雅，一派南朝士大夫风度。左右各立一身协侍菩萨，上身袒露，腰围长裙，肩搭披巾，衣褶线条劲健有力。头戴三珠宝冠，额头饱满，鼻梁高隆。细眉鼓目。唇薄而翘，面带微笑。这些造型像朴实敦厚，手法简练明快。明显带有西域传入的犍陀罗风格，比较严格地遵守了外来的造像仪型。
隋代彩塑具有包前孕后、承上启下的特点，在民族化、世俗化方面有超越规范的突破性发展，在题材上最富时代特征。迥异于前的突出特征是出现了一窟造三铺高大立像或众多塑像同在，开窟内塑巨像之先例。佛像造型上即改秀骨清像为雍容厚重，面容丰满，鼻梁降低，耳朵下垂加大，手足肌体丰腴，衣褶线条柔和，衣着华丽多彩，前代那种木强硬直的西域影响已荡然无存。可以说，经过隋代匠师们的探索和创新，为技艺造诣精深、用色浓艳繁杂、线条细密流畅的唐代彩塑的形成铺垫了牢固的基石。
唐代是莫高窟彩塑的鼎盛时期，其规模、数量、题材、技艺等各方面均达到登峰造极的地步。那依岩开凿的大佛像气势恢宏，如第96窟的弥勒佛坐像，高达34．5米，堪称国内最高的泥塑佛像；第130窟的弥勒佛坐像高约26米，庄重雄伟，气势壮阔，充分显示出大唐帝国的宏盛气魄。在题材上出现了群像，一铺造像少则三五身，多者达11身。人物造型十分丰满圆润，手法细腻写实，技巧炉火纯青，彩绘精致富丽。如第148窟释迦牟尼涅槃像，右协而卧，身长16米，四周绕立的菩萨、弟子、天龙八部、各国各族徒众多达72身。神情迥异，各具姿态，为莫高窟现存塑像规模最大的一铺。第328窟西龛内北侧的供养菩萨，上身裸露，胸垂璎珞，下体着裤，单膝胡跪，每道布褶贴肢下垂，裤色略施薄彩，给人以轻纱透体的质感。其肩臂披巾仅塑出由肩至肘前突上扬的一段，肘弯以下后曳远引出的部分则用彩绘接画于塑体背后壁画。通过这一手法的处理。既摹状了披巾上段随风飘举之形，又神拟了披巾下段后曳远引之势，构思巧妙，独具匠心，在塑绘结合上创立了虚实相济的新意境。同时，唐代彩塑除精心妆銮衣饰外，主要加强了人物面部的晕染，不仅为塑像面部着底色，而且还以浓墨点睛，朱红涂唇，翠绿描须，突出了人物个性，增强了塑像内在的生命活力。如第384窟左侧一供养菩萨，头挽高髻，面容丰盈，柳眉入鬓，杏眼低垂。口唇微张，合掌下跪，端庄俊秀，生动地描绘了普通妇女在佛前祈祷时的虔诚和对美好生活的向往之情。再如第285窟右侧有一尊菩萨像，面丰圆润，细眉秀眼，樱桃小口，肌肤光滑，身段优美，着装华丽，富有绸质感的衣裙好像要被清风漾起，十分生动。尤其是那安详而恬静的微笑极为传神，其美态可与达·芬奇名画中的《蒙娜丽莎》相媲美，然而这尊美神比起那幅传世佳作要早1000年，可见其艺术价值之高。还有第194窟正龛南侧的菩萨，面如满月，眉似弯弓，丰中含秀，双目半闭，端颜沉思，美丽温柔，给人以难用言语表达的美感。这每尊气质娴雅、形神兼备、精妙绝伦的造像，充分体现了唐代工匠独特的民族审美情趣和对外来艺术的融合与创造能力。
五代、宋时，彩塑虽承唐风，遗有丰腴华丽之迹，但毕竟日渐衰颓，多是修改旧窟，涂抹重修前代的陈作，程序化明显，多古板呆滞，无新意可言。元代虽有少许作品线条简洁、遒劲，造型质朴实在，然已是“繁华暗随逝波去，乱蝉哀鸣夕阳斜”了，这也许是宋元以后东南海运畅通，丝路冷漠，敦煌社会地位日趋下降在文化艺术上的反映。