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。

北壁画观无量寿经变一铺，壁面上层绘有十方佛赴会，一佛二菩萨，头顶华盖，坐于祥云之中，与南壁一样，琵琶、箜篌、排箫、古琴腰鼓、阮咸等各种乐器乘着飘带飞行。 经变正中上方有三座大殿，大殿殿顶两侧是两身飞天，动势都朝着大殿。 三殿前后排列，均为单层，单檐庑殿顶，两侧各置单层配殿，配殿左右又各置二层楼阁，单檐歇山式顶，以廊庑与中部后殿相接，廊庑转角处，于庑顶置角楼，两角楼外侧绘出缭绕的蓝绿色云海，苍茫延伸至地平线，两身小飞天从廊殿顶处升起，恰巧与后面的云海相映成趣。 画面殿堂与角楼的檐下椽飞斗栱用仰视角度现出斗拱，结构严密，两侧的配殿用俯视角度，显示出层次、结构上的井然有序，人物用正投影。 无量寿佛座前有胡跪供养菩萨，以花朵、香炉虔诚供养，飘带环绕，描绘流畅生动。 三殿前有大平台，画无量佛、二胁侍及诸菩萨；中间有三座小平台，左右平台为由十六身乐伎组成两组乐队，中间平台二乐伎对舞； 三平台前面另有三座小平台，中间平台画白鶴、孔雀、鹦鹉、迦陵频伽、共命鸟，左右平台置化佛与诸菩萨。 全部建筑架在宝池中，池中有莲花、化生、鸳鸯，平台之间及平台与殿堂之间均以斜道与小桥相连，宝池的水纹、漩涡用线粗细有变化，颇有碧波荡漾的质感，是最宝贵的唐代建筑资料。 西侧未生怨、东侧十六观。 北壁西起画观世音菩萨三身；下宋画女供养人一排，底层盛唐画供养人（模糊）。

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。

十一面千手千眼观音变：元代3窟北壁中间画千手千眼观音变一铺（观音居中，两上角飞天各一身，西侧吉祥天，东侧画婆薮仙，西下三头八臂金刚、象头毗那夜迦，东下三头六臂金刚、猪头毗那夜迦）密宗题材。千手千眼表明观音观照、护持和救度众生，法力广大。壁画作者综合了北魏、隋唐以来的线描技巧，以遒劲的铁线描勾勒出颜面、手、臂和足踝，又以生动的兰叶描、折芦描等描法画出繁复的衣褶和飘带，造型准确，色彩淡雅，质感很强，人物神态端庄。作者以极大的功力一丝不苟地画出千手千眼，用笔纯熟。壁画代表着元代线描艺术的卓越成就。