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。

东壁北段画清净法身卢舍那佛及四大菩萨（南部残），为三身佛中之报身。密教作菩萨形，双手重叠置于脐下，结跏趺坐，光环重叠，作修持状。人体比例匀称，肌肉丰满，展示出密教佛像的特色。四大菩萨为“地藏菩萨”、“文殊师利菩萨”、“虚空藏菩萨”、“弥勒菩萨”，均座于缠枝莲花上。东侧画药师佛立像一身，着田相袈裟，右手执锡杖，左手持药钵，赤足立莲花上。

东壁通壁绘法华经变观音普门品。东壁门上绘释迦牟尼佛在灵鹫山说法场面，佛两侧绘菩萨数身。说法图南侧绘一塔，塔内二佛并坐说法，塔南北两侧各绘菩萨一身。门南北两侧自上而下绘观音救诸难和三十三现身的画面。观音救诸难的画面描绘了人们遇到水难、火难、雷暴难、兽难、刑戮难、贼难等灾难时，只要称念观音名号，就可得到解脱的场景。观音三十三现身的画面描绘了观音大慈大悲，满足众生一切愿望，解脱众生苦难，并能根据众生的要求，现佛身、宰官身、比丘身、毗沙门身、优婆夷身、妇女身等各种形象为众生说法的场景。门北沿有五代时期抹壁改绘一身比丘洪认供养像，画像身量高大如同真人，批田相纹袈裟，手持香炉，立方毯上，左肩上方有红地墨书题榜。

尒時維摩詰以釋梵天王持七寶眾於閣浮提界，供養釋迦如来，請說法化根本因緣，令開情惑。

尒時世尊為諸國王大臣及諸夫人婇女眷屬令說法華經悉得開悟俱佛時

於是窮子為辛墾苦作種耕耘數在野田以庸馳業竊來飲食共濟貧軀善福未圓常營此也

释迦佛交脚而坐，身着大红田相袈裟，作说法相，头光和背光使佛像更稳健庄重。两侧的菩萨，仍为北朝时的裙披式服装。菩萨面部晕染采用浓重的西域式晕染法，仍保留着早期人物画的风格特征。

阿弥陀佛说法图中的弟子，年少英俊，面部红润的色泽显示了充沛的内在生命力，神情庄严沉静，手托水晶钵，身着田相袈裟，默默佇立。

大殿斗栱：大殿翼角的转角及補间铺作各一组，转角铺作作双杪双下昂，即是从柱头铺作上，栌斗口内向前挑出两跳华栱，从华栱跳头上出两跳下昂，第二跳昂头上出令栱及替木承簷檩。令栱中心出批竹昂形的耍头，是斗栱出现耍头最早的例子。

昙延法师故事：586年，天下大旱，隋文帝令京北太守苏威问昙延（516—588年）天旱之由。昙延答到，君乃万民之主，群臣之首，却不亲自为百姓祈雨，故是否下雨，系于此。隋文帝遂决定亲自祈雨，便派人迎昙延入朝，请他登大兴殿御座，南面而坐，传授佛法，文帝及五品以上朝宰大臣，皆席地朝北而坐，听受八戒。戒授完毕，日已中天，时有片云遍布全天，继而天降大雨，令天下并足。