沙州回鹘、西夏和元朝统治者都十分佞佛，在他们统治下的敦煌等地的开窟建寺活动从来没有停止过，存留至今的实物遗迹也不少，仅今莫高窟、榆林窟、西千佛洞和东千佛洞中存有这一时期画塑资料的洞窟即超过百数。
　　但是，这一时期的大量洞窟，特别是西夏窟，多是由前代窟龛改建或补修而成，在石窟建筑方面缺乏独创的特色。而窟内彩塑损毁得也十分严重，少数幸存者又多经过清代重妆改塑，面目全非。故而此期的敦煌石窟艺术成就主要体现在壁画方面。
　　这一时期的壁画内容大体可分为4类：尊像画、经变画、供养人像和装饰图案。
　　尊像画是此期最主要的题材，取得的成就也最大。尊像画可分为显教尊像和密教尊像(又有汉密与藏密之别)两种，内容则多是图绘释迦多宝并坐像、文殊像、普贤像、观音像、十六罗汉像等，尤以观音像的描绘最为成功。
　　显教观音像中最引人注目的是水月观音。榆林窟第2窟的水月观音头戴宝冠，身穿长裙，倚坐珞珈山，背后奇石挺立，修竹滴翠，座下绿波荡漾，红莲盛开，空中彩云朵朵，新月弯弯，朦胧的月色与观音身后轻纱般的光环交相辉映，澄澈幽静，神秘祥和。
　　汉密的观音像有十一面观音、千手千眼观音等多种，这一时期的莫高窟和榆林窟中各出现了一幅美妙绝伦的杰作。莫高窟第3窟北壁的千手千眼观音绘于元代至正年间(1341～1370年)，图中观音千臂千手摆列如轮，每手中有一慈眼，以示应众生不同需请，法力无边，智慧无穷。观音两侧散列功德天、吉祥天、婆薮仙、火头金刚等随从眷属，身形矮小，神情虔敬，很好地突出了观音的高大神圣。这幅画设色清淡，简朴典雅，分外玄妙怡人。其绘画技法也极为精熟，灵活运用了铁线描、折芦描、游丝描、丁头鼠尾描等线描笔法，准确描绘出了人物衣饰不同部位的特色纹理，使画面情态逼真悦目，流畅细腻，意韵无穷，已达线描造形的最高境界。
　　榆林窟第3窟东壁的五十一面千手千眼观音绘于西夏占领瓜州时期，规模宏伟，内容繁复，历史价值极高。图中观音端立于水中生出的莲花上，顶上悬宝盖，空中雨宝花，足下踏莲池。观音现五十一面，分作十层呈宝塔形重叠，每头现三目，最上一头则呈佛颜。这幅尊像画最大的特色在于对观音千手，特别是其众多持物手的描绘，画中除绘有分别执持盾牌、绢索、宝螺、宝铎等各种法器法物的常见持物手外，还绘有超出《千手千眼观世音菩萨大悲心陀罗尼经》等佛经规定的近50种持物手，并呈左右对称式分布，与同类其他尊像大不相同。其中最有趣的是一些反映社会生活场景的持物手，如：
　　牛耕手，画二牛抬杆，农夫扬鞭驱牛耕地；锻铁手，画立式鼓风炉，一人鼓风，二人持锤锻铁；酿酒手，画*(左火右呙)台，上置方甑蒸酒，一妇人烧火，另一妇人站甑前观察，手中持杯，似在品酒，旁有盛酒木桶；商旅手，画二人挑担，担中盛货物，似正欲赴市出售；百戏手，画一台，上分三枝，每枝又有一台，三人在台上挥袖起舞；踏碓手，画二人舂米，一人扶栏踏碓，旁有簸箕等物。
　　这些画面反映了西夏时工农商艺各行业的活动场面，真实生动，不仅增加了尊像画的情趣，也为后世留下了宝贵的形象资料。这幅尊像图敷色简单，以冷色为基调，仅用白、青、绿、黑等很少几种颜色，持物手中的一些小幅画甚至不上色，多用白描，以线造形，简朴洗练，古雅疏朗。
　　除显教尊像和汉密尊像外，随着西夏和元时西藏喇嘛教，特别是萨迦派密宗的流行全国，这一时期的敦煌壁画中还出现了大量藏密图像。习称“秘密寺”的莫高窟第465窟绘有以大日如来为中心的五方佛、各种明王愤怒像，以及欢喜天、欢喜金刚像等，属萨迦派密教艺术。而榆林窟第4窟中的军荼利金刚等则多属传自西藏的迦玛伽派的密教艺术。这些金刚明王像多作威猛忿怒状，刚烈狰狞，令人畏怖，再加上浓重美艳的色彩，艺术效果非常强列，与以往含蓄儒雅的敦煌石窟艺术风格迥异。
　　经变画在这一时期的石窟壁画中已失去了以往的优势。随着密教的广泛传播，大乘经经变画从总体上讲已趋衰落，莫高窟仅保存了《西方阿弥陀净土变》、《药师变》等二、三种，画面呆板单调，缺乏生气。榆林窟中保留的经变品种略多，主要有《观无量寿佛经变》、《天请问经变》、《文殊变》、《普贤变》、《弥勒变》、《维摩变》、《降魔变》、《法华变》等10来种，但与以前经变画的创作风格也已有较大差别，人物减少，构图简单，画家的着眼点已变为描绘空濛幽远的意境，原来经变画中的一些烘托气氛的人物多被奇丽的山水和严整的宫殿楼阁所取代。
　　这一时期一个很有趣的现象是在某些经变画中出现了小幅《唐僧取经图》，现在已经查明的至少有6幅，分别绘于榆林第2、3、29窟和东千佛洞第2窟。其中榆林窟第3窟《普贤变》中的小幅《唐僧取经图》构思奇巧，精妙风趣。画家将玄奘师徒安置在普贤右侧的礁石上，以信徒眷属的身份现身于经变。画中唐僧穿着袈裟麻鞋，垂眼俯首，躬身合掌，遥礼普贤，恭顺平和的神态和头后熠熠的项光都表明他已是修成正果的得道高僧。唐僧身后的悟空形象更具情趣，他曲身揖手，缩颈仰头，额短嘴长，身姿动态和头上茸毛无不现出猴相，已完全具备了猴行者的外貌特征。悟空身旁的白马在画面上很突出，它昂首瞠目，奋蹄挺身，鞍鞯之上端置莲座，座上佛经闪闪发光，点明唐僧师徒已取得真经，荣归东土。这幅《取经图》画面很小，在整幅《普贤变》中仅居次要地位，但画师们对它的刻画却一丝不苟，精细入微，使我国现存最早的这幅《唐僧取经图》形神毕现，妙趣横生，取得了极高的艺术成就。
　　晚期的敦煌石窟中供养人像不多，但却具有很高的历史研究价值。这时的供养人像多穿著回鹘、党项、蒙古等民族服装，身旁又多书有榜题，对服饰史、民俗史和西北地方史研究皆有裨益，特别是大量西夏文题记内容丰富、翔实准确，是史料份外缺乏的西夏史研究的重要资料。
　　装饰图案是晚期敦煌壁画艺术中的重要内容，富有非常鲜明的时代和民族特色。沙州回鹘时期盛行蟠龙纹样，并普遍使用唐草式卷云纹为花边装饰。窟顶则流行朱地牡丹团花图案，佛光中又多采用编织纹样，款式新颖别致，格调简洁清新，与高昌回鹘石窟中的装饰风格关系密切。
　　西夏及元时装饰图案更加丰富多彩，尤以龙凤图案和曼荼罗最为成功。龙凤是深受中国人民喜爱的传统纹饰，在西夏及元时的藻井、衣饰和旌旗上经常可以看到二龙戏珠、五龙飞腾、单凤展翅、双凤盘旋等游龙翔凤图案，莫高窟第130窟顶部就是用龙凤绘饰而成的典型的西夏金龙华盖式藻井。曼荼罗的基本构图为圆坛与方坛层层套叠，逐步深入，内绘人物等。曼荼罗的大量出现与此时密教盛行，强调修习有关。敦煌石窟中既将曼荼罗用为洞窟的装饰，又常绘之于四壁，如榆林第3窟窟顶中心就是一幅密教五方佛曼荼罗，十分精丽严整。
　　纵观沙州回鹘、西夏和元代的敦煌石窟艺术，不难发现以下几个特点：其一，榆林窟异军突起。西夏攻陷敦煌后，随着曹氏归义军的消亡，莫高窟日趋衰落，此时榆林窟却因所在地瓜州政治地位的提高得到了长足发展，取得了突出的艺术成就，弥补了莫高窟西夏艺术的不足。其二，密教艺术勃兴。西夏及元代的佛教都注重显密双修、汉藏结合，特别是元朝更以密教为尊，曾任喇嘛教高僧为国师，从而使密教及密教艺术盛行全国，在敦煌石窟中也结出了丰硕果实，打破了敦煌艺术末期的沉寂局面。其三，民族风格浓郁。这时正是众多少数民族分掌瓜沙时期，各族艺术家们在继承汉唐传统的同时又博采各族艺术之长，并加以融汇贯通，灵活施用，使此期的敦煌艺术既具有中原风格，又展露出了回鹘、党项、西藏等民族艺术特色。其四，绘画技法多样圆熟。这一时期的线描与敷色方法都变化多端，画家们常随意选用多种技法绘制同一作品。莫高窟第3窟中元代甘州画师史小玉创作的壁画就集中了数种线描技法，使画幅精美绝伦，给观者留下了深刻印象，同时也为晚期的敦煌石窟艺术带来了最后一抹耀眼光辉。
　　元代以后敦煌地区的石窟营造活动即告中辍。清代和民国时期虽曾进行过增补重修，但多内容混杂、技艺低劣，非但没有什么艺术性可言，反而破坏了佛窟原有的艺术效果。
　　至元代为止，作为敦煌石窟群主体的莫高窟的艺术创作活动已延续了1000年，其间开窟造像不已，精品杰作无数。经过1600多年的风雨剥蚀与人为破坏，至今尚存留有重要洞窟492个(曾有学者指正当为491个，因敦煌文物研究所1964年编定的492个窟号中的第485、486两号实指同一窟，窟号编重，此说是。但1979年该所在莫高窟南区南段加固维修活动中，曾进行窟前发掘，在发现了第130窟窟前遗址的同时还发现了第493窟，故我们这里持492窟说)，彩塑2000多身，壁画45000平方米，不仅是我国最大的石窟群，也是横贯欧亚的古丝绸之路上规模最宏伟，历史最悠久，内容最丰富，艺术价值最高的文化宝库，1962年被国务院确定为首批全国重点文物保护单位，1987年12月又被联合国教科文组织列入第一批世界文化遗产清单(同批列入该清单的中国文化遗存共有6项：泰山、长城、故宫、敦煌莫高窟、秦兵马俑坑、周口店北京猿人洞)。