此窟始建于西魏，后经北周、隋、初唐、回鹘、清代时期重修。洞窟的平面呈方形，有中心塔柱，前部为人字坡顶（已塌毁），后部为平棋顶。窟室中央为方形中心柱，龛内外的塑像多为清代重修，龛内北壁残存化佛菩萨火焰纹背光，两侧各画弟子一身。龛外两侧分别为唐代画的日月及云中坐佛，下底层存西魏残画。龛楣图案尤其有特色，它不同于北魏常见的火焰纹图案，而是保存完整的弥勒上生经变，是西魏时期的原作，与莫高窟西魏时期的第288窟龛楣莲花供养化生图案风格相近。弥勒上生经变这一题材在敦煌石窟龛楣画中并不多见。画面中，弥勒着菩萨装，交脚而坐，身旁站立二听法菩萨，周围还有十身飞天环绕飞舞，散花奏乐，一派恬静的佛国仙境。在画面左侧，还有一身人物做手足倒立的动作，画工大胆用色，把人物形体涂染出来，整个画面看上去十分夸张诙谐。敦煌石窟中同一时期的作品大多以土红色为底色，而这一幅则是在大面积深绿色的底子上作画，亦为少见。在西侧墙壁留下来的一组朱墨白描伎乐飞天线描图最为传神。飞天手持琵琶、箜篌等乐器，身形线条流畅、比例协调、把飞天的轻盈、飘逸完全体现出来，同时也体现出画师绘画技艺的高超，这幅作品也是西千佛洞的代表作。北壁为鹘画涅槃图，画面中佛的形体较大，右胁而卧，着田相袈裟，周围有众多举哀弟子，脚部周围有几身世俗人的形象。画面以土红色为主色调，佛的面部五官间用石绿勾勒。此窟南壁东侧绘有初唐说法图，这幅画面内容简洁，但无论构图、设色、人物造型堪称佳作。神态端庄、目光慈祥的佛陀结跏趺坐于莲座上，身边二胁侍菩萨婀娜窈窕，着装华贵艳丽，从画工着色晕染手法，我们似可以看到菩萨着装的质感。说法图下方绘供养人像。在这幅作品右上角留有“如意元年”(公元692年)的朱墨题记，也为断代提供了参考。

上画千佛，中部画佛教史迹画，自西向东依次为：1.汉武帝获得匈奴祭天金人与张骞出使西域；2.释迦浣衣池与晒衣石；3.佛图澄之神异事迹；4.阿育王拜外道尼乾子塔；5.康僧会感应故事，下部画菩萨七身。 北壁西侧上部画张骞出使西域图，共由4组画面组成，呈“凹”字型排列，每个画面旁均有清晰榜题，表现汉武帝获得匈奴祭天金人和张骞出使西域的情景。1、在画面的右上角有一殿堂，内有两个站立的佛像，殿堂正面额匾上有“甘泉宫”三字，下方画帝王、臣属持香炉或笏拜谒。2、皇帝骑在马上，左右臣属八人，一人手持曲柄华盖。张骞持笏跪拜辞别，后有从者持节牵马。3、张骞行进在途中。4、远处有一城郭，二和尚立于门外，城内有佛塔。此幅出使图中，张骞一行乘骑半藏山后，表现了山重水复的效果，体现出张骞等人的艰辛，情节、环境相互映衬。 北壁中上部偏西侧画佛陀洗衣池和晒衣石圣迹故事。1、释迦摩尼右手提袈裟立于水边。2、有天女从天空飘飘而降，准备替佛陀清洗袈裟。3、方石旁有一个不信佛教的外道婆罗门，赤裸上身，光着脚，跳踩和弄污方石。4、石上有乌云，云中雷神正击鼓鸣雷。5、方石的右下角再画婆罗门被雷电击毙。6、方石的另一侧有两位天女正在洗石。 北壁中上部偏东侧画高僧佛图澄的故事，以上中下三组画面表现佛图澄的神异事迹，上画佛图澄立于七层塔前，合十向人们解说塔檐的风铃声音有异，指出这是不详之兆，预言石虎和石韬将要火并。中间画一帝王，上有华盖，坐在胡床上与臣属观看僧人施法，这个场面是佛图澄为石虎说法时，幽州四城门起火，佛图澄使神力用酒灭火的情景。左下画一僧人赤裸上身，坐在水池边，正在洗肠的情景，据《高僧传》卷九“佛图澄传”记载，澄左乳旁有一孔，有时肠从中出，或以絮塞孔。夜欲读书，辄拔絮，则一室洞明，又斋日辄至水边，“引肠洗之，还复内中”。 北壁佛图澄故事右下角画阿育王拜外道尼乾子塔。阿育王是公元三世纪中印度摩揭陀国国王，笃信佛教，大造佛塔。画面画一帝王率臣属礼拜六塔，下跪者是阿育王，由于该塔是外道之塔，受不起信佛教的阿育王一拜而倒塌。 北壁东侧上部画康僧会故事。康僧会是三国时代的高僧，主要在江南弘扬佛法，在佛教南传的历史上有重要意义。故事由四组画面表现：1、画康僧会坐鼓帆小舟，顺风而行下江南来到东吴。2、最下面画一帝王向僧人跪拜合十，表示孙皓下跪迎接穿袈裟的康僧会。3、中间画一大帐，账内莲座上舍利放光芒，账外帝王与僧人作谈论状。表示吴人本不信佛教，吴王孙权召康僧会问佛有何灵验，康僧会遂以神力获舍利，光明四射，吴王乃信，立建初寺。4、画一寺院，院外僧人观看并有人运送木料，当为建初寺修造的情景。

东壁壁画分上下段两部分，上段绘大型维摩诘经变一铺。画面以“品字形”排列，门上方绘佛国品，维摩诘与文殊菩萨分别位于门两侧。北侧画面以维摩诘为中心，维摩居方丈，方丈后方众菩萨前来听法，方丈下方是各国各族王子均来问疾。画面右中部是见阿 佛品中的情节。画面左下方是方便品中的情节。门南侧绘文殊问病，画面以文殊菩萨为中心，文殊坐宝台，中国帝王大臣、各族首领前来探望。东壁下段绘供养人画像。南侧起第一个着回鹘装的供养人是曹议金的夫人，榜题是“故母北方大回鹘国圣天的子敕授秦国天公主陇西李……”。第二个着回鹘装的是嫁给甘州回鹘可汗为夫人的曹元忠的姐姐，榜题为“甘州圣天可汗天公主一心供养”。第三位头戴凤冠的是嫁给于阗国王曹元忠的姐姐，榜题为“大朝大于阗国大政大明天册全封至孝皇帝天皇后一心供养”。第四位是曹议金夫人，曹元忠的生母，广平宋氏。榜题为“故慈母敕授广平郡君太夫人宋氏一心供养”。后面的几位均是曹元忠的姐姐辈的人物。这四位供养人的排列，体现了曹氏家族对甘州回鹘、于阗国采取了联姻、礼让、尊敬的礼仪态度。北侧南起第一至第七身供养人均为宋代重绘。第一至第三身为比丘尼，仅第三身榜题较完整，题为：“故姨安国寺法律尼临坛大德沙门性真供养”第四至第六身也相同题称“外甥甘州圣天可汗的子天公主”，可见这些比丘尼原来都是曹氏家族的成员。第七身供养人头戴凤冠，饰步摇，服饰华丽，榜题为“大朝大于阗国天册皇帝/第三女天公主李氏为新/授太传曹延禄姬供养。”北侧后面几身供养人像为曹元忠时代的原作。榜题分别为：“故伯母武威郡夫人阴氏一心供养”、“故母钜鹿郡君夫人索氏一心供养”等。这时提到的阴氏、索氏、慕容氏等都是敦煌一带的世家望族，反映了曹氏家族对外联姻，以巩固其统治地位。

南壁壁画分上中下三段绘制，上段绘伎乐飞天十二身，有的演奏乐器，有的凌空飞舞。中段通壁绘制百强盗成佛因缘故事画一铺。描写了官兵征剿、强盗被俘、国王审讯、挖眼逐放、山中受苦、眼睛复明、佛陀说法、出家为僧、深山修行等场面。体现了强盗放下屠刀立地成佛的思想。故事结尾处绘释迦多宝并坐说法图一铺。下开小禅窟四个，龛楣装饰忍冬禽鸟图案。在龛楣之间自东至西穿插宾头卢度跋提长者姊、度恶牛缘、沙弥守戒自杀品和施身闻偈等四个因缘故事画。这几幅故事画的情节与自然环境紧密结合。忍冬花边划分了上层故事画与下层药叉的界限。最下段绘制药叉五身，有的托举，有的挥臂跳跃，有的立掌运气，有的俯首练武。

水光山色：越过高高的山崖，可以看到山后的景色，人们正在划着船争先恐后地去迎接佛像。近处的船大 ，远处的船小，形成对比，体现出空间感，远山之间沿水平线画出云层。

远景山水：在故事画中，表现三国时期的高僧康僧会从海上称舟而来的情景，一叶小舟云帆高挂，漂流在明净的水中，驶向港湾，后面的远景有群山映衬。富有抒情格调的画面，体现了唐代山水画的成熟。

山水：“九色鹿”故事画中的山水，表现印度恒河河水从山间流过，绿色的河水泛起细密的波纹，与土红色的岸边形成鲜明的对比，斜向的河流和山峦排列，体现出一定的透视感。

守宝神龙：这是弥勒经变中翅头末城儴佉王向弥勒佛所供奉“七宝”中的库藏珍宝，由神龙护卫，人莫敢近。龙坐于彩云上，其造型体现出阳刚之美。一般画龙都取动势很强的腾飞之态，如此静态的坐龙特别罕见。

观瀑：在《化城喻品》中，表现了僧侣参拜瀑布的情景。两侧画出对峙的阙型山峰，构成唐代山水画中流行的样式。从高高的悬崖上飞流而下的泉水，画得非常生动，用流畅的墨线表现出泉水飞溅的速度，淡雅的色调体现出水的透明特征。

佛龛中的塑像是一佛、二弟子、四菩萨（一身已毁）。中间塑释迦牟尼佛，着通肩袈裟，内着僧祗衣，头上有螺髻，双目正视前方，面部的表情威严庄重，面型长圆，嘴角微微上翘，带有若有若无的微笑，袈裟的衣纹转折自然，更加趋于写实。衣纹的褶皱襞很浅，与隋代塑像衣纹的生硬，类似石雕手法有明显的区别。体现出袈裟的质感，反映了艺术家逐渐追求写实化。佛的两侧塑的是弟子像，迦叶身披袈裟，双手叠放在一起，端严直立，目光有神，塑造出一个资历高深、精研佛法、令人敬仰的高僧大德形象。阿难塑造的是一个年轻僧人，神情沉静、面相丰圆。