壁畫是榆林窟藝術的代表，也是其價值的最大體現。榆林窟壁畫多為唐代至元代800餘年間的作品。內容十分豐富，有場麵宏大的巨幅經變畫，形象生動的單幅佛像畫、裝飾圖案和種類繁多的奇花異草、飛禽走獸，還有一定數量的當時社會生活、生產、科技等現實畫麵。從唐到元，曆代都有佳作，其中第25窟的唐代壁畫，更是世所罕見的珍品。
唐代洞窟中第25窟藝術價值頗高，前室正壁門兩側分別繪毗琉璃天王像和毗沙門天王像。主室窟頂繪有千佛。正壁中部繪盧舍那佛像和虛空藏、彌勒、地藏、文殊等八大菩薩像。北側繪釋迦行像。
南、北兩側壁分別繪有觀無量壽經變、彌勒經變。前壁門兩側繪文殊變、普賢變。全窟壁畫構圖嚴謹、造型逼真，色彩絢麗。威武有力的天王、力士、莊嚴慈祥的菩薩，栩栩如生的昆侖奴及獅子、白象，神態生動，線條瀟灑流暢，充分體現了唐代風格和精湛技藝。
北壁的“彌勒淨土變”是一幅構思精密的大幅畫。畫麵結跏趺坐的彌勒佛居中正在說法，寶蓋懸空，聖眾圍繞，眾多人物姿態、性格和神情迥然不同，佛的莊嚴，菩薩的恬靜，天王、力士的勇武，表現得淋漓盡致，顯示出畫家驚人的技藝。
經變中還穿插著許多小型構圖。左上角的《農作圖》，繪1個農民扶犁耕地，後麵跟1個撒種的婦女，旁繪1個農民持鐮收割，場上堆放著糧捆，1個農民雙手執六齒叉揚場，1個婦女持掃帚掠掃。這些生產場景具體而真實的反映了唐代農業生產的方式和農民的勞動生活。
經變下方左右對稱的《男女剃度圖》，有剃頭的、盥洗的、更衣的、侍立的，還有徘徊觀望的，各種各樣的姿態動作，表現了各自不同的思想感情。
此外，還有《掃街圖》、《宴會圖》、《寫經圖》、《探親圖》等描繪社會生活的畫麵。這些小構圖是經變的有機組成部分，它使神秘而肅穆的天國充滿了濃鬱的人間生活的氣息。南壁的《西方淨土變》，畫麵展示了佛徒理想中的極樂世界。畫麵上樓台亭閣平列環抱，菩提樹下阿彌陀佛朗朗說法，十大菩薩次第擁坐，靜聽佛語。天上仙鶴起舞，飛天散花；地上荷花盛開，碧波蕩漾。
殿堂前舞女伎腰懸長鼓，舒臂輕擊，雙腳起落交錯作踏歌狀。兩邊8位樂師亦皆是女性，或簽、或笛、或簫、或琴，各執一技，悠然自得，觀之使人有飄然欲仙之感。西壁門兩側對稱繪的“文殊變”和“普賢變”也各具特色。
第25窟的壁畫，色彩絢爛富麗，人物豐腴健美，構圖宏偉嚴密，富於想象，線條道勁流暢，具有吳道子一派的風格，“良工運精思，巧極似有神”，充分體現了唐代繪畫的高度藝術成就。
五代及宋初，曹議金家族繼張議潮之後，管理瓜、沙等州百餘年之久，曹氏家族利用河西一隅的暫時安定，大力興建石窟，彩繪壁畫，以粉飾太平，這一時期開鑿的榆林窟洞窟較多，占榆林窟全部洞窟的一半。
榆林窟第16窟是五代早期的一個洞窟，窟內所畫的飛天，雖然沒有唐代飛天的生動活潑、身姿俏麗參加者，但裝飾性十分好。
例如第16窟中一身彈古箏和一身彈箜篌的飛天，畫得很完美，飛天皆頭束發髻，彎眉大眼，直鼻小唇，臉形豐圓，耳垂環繞，半裸上體，胸飾瓔珞，臂飾鐲釧，腰係長裙，赤腳外露，雙手嫻熟地彈撥琴弦，姿態優雅。
第16窟最大的特點是飛舞的巾帶是身體長的3倍，飛舞的巾帶中間有飄旋的花朵，飛舞的巾帶下麵有彩雲流轉，飛天好似逆風翱翔在彩雲上，整個畫麵對稱均等，裝飾性很強。