佛教石窟寺是將山巖鑿成洞窟，安置佛像以作為寺院。石窟寺起源很早，在公元前1世紀左右，古印度即已有之。法顯、玄奘等人的旅印遊記中就有相關記載。據現有的考古顯示，最早大約在公元3世紀左右在新疆的龜茲地區就已開始開鑿石窟。佛教東漸至敦煌，在前秦建元二年（366），由樂僔開鑿於敦煌鳴沙山，此後一直延續至15世紀，遍布於中國各地。中國是世界上石窟保存數量最多、綿延曆史最久的國家之一。
石窟寺是建築、雕塑、繪畫的結合，其中壁畫是對雕塑的詮釋和發揮，主要用於闡釋佛教的義理。經過千餘年來發展，中國的石窟寺壁畫形成了獨特的繪畫語言。
從內容上來說，石窟寺壁畫大致可以分為像、圖兩大部分：前者為單幅壁畫；後者是描繪佛經中所記載的佛傳、本生、因緣、經變等帶有故事情節的繪畫。
涅槃圖和說法圖是石窟寺壁畫中常見的單幅壁畫內容。例如，新疆克孜爾石窟壁畫常見的獨幅畫的題材，主要有涅槃圖、說法圖等。這些壁畫通常都繪製在洞窟的顯著位置。涅槃圖描繪佛陀涅槃時的場景：佛陀超脫塵世，寂靜涅槃，面容安詳；周圍的佛弟子由於失去依怙，心情悲痛。畫工們通過藝術性的處理，將這兩種矛盾的情感和諧地繪製在一幅壁畫中。說法圖描繪的是佛陀為弟子說法的場景，通常繪製在石窟入口上方。畫工們巧妙地運用了這塊半圓形的空間：佛陀像繪製在半圓形的頂端，形象更為突出；而弟子們的身體和眼睛都朝向佛陀，形成特殊效果。隨著大乘佛教的傳播，說法圖的內容則更為廣泛。
根據佛經故事創作的本生故事畫，主要有「捨身飼虎」「割肉飼鷹」「鹿王本生」等，這些故事有的是通過比喻的手法來表現佛教所倡導的功德苦行，從而將抽象的教理轉化為可視的繪畫形象。例如，敦煌莫高窟壁畫中繪於北魏時期的「鹿王本生圖」，描繪了佛陀的前生為九色鹿王，拯救了一個落水之人而反被出賣，但是修行「忍辱」的故事。這幅壁畫也是同類題材中保存最為完整、最具代表性的作品之一。
石窟寺壁畫通過線條和色彩的繪畫語言來描摹形象，因此「線描藝術」和「賦彩藝術」是石窟寺壁畫的特色，線條和色彩的運用直接反映了不同時期壁畫藝術的特點。而在長期的發展過程中，石窟寺壁畫也逐漸形成了獨特的造型手法，對後世的佛畫產生了重要影響。
以敦煌壁畫為例。早期（十六國、北魏時期）的敦煌壁畫主要以流暢而有力的鐵線描勾勒人物輪廓，在色彩上賦色濃烈，使用平塗加暈染的形式，這顯然受到古印度犍陀羅藝術的影響。上述克孜爾石窟壁畫的風格早期也是受古希臘、印度犍陀羅、波斯等藝術的影響，在繁盛期呈現出濃鬱的本地特徵，也就是「龜茲風格」。
北周時期的敦煌壁畫採用流暢的線描來勾勒輪廓，色彩淡雅，儘管還有西域地區繪畫的遺風，但是整體上已經是中原漢文化的繪畫藝術；這一時期的壁畫受到東晉顧愷之的「遊絲描」「鐵線描」，梁代張僧繇的「張家樣」，北齊曹仲達的「曹衣出水」等繪畫技法的影響，在線條使用的方面更加細膩、靈動，色彩上清麗脫俗。
唐代的敦煌壁畫線條運用得更加嫻熟，其用線技藝堪稱石窟寺壁畫的巔峰，很多壁畫都承襲了由吳道子所開創的「蘭葉描」用線方法，通過線條的運用變化，以虛實的方式來描摹複雜的物體形態，線條遒勁、飄逸；在色彩運用上更是達到高峰：不但有種類繁多的礦色彩，使用的顏料甚至多達十數種，而且畫師的渲染技巧也達到了很高的程度，講究「滿壁風動」「煥爛而求備」，畫面輝煌、明快、濃烈，同時在一幅作品中又達到色彩的統一，這些濃墨重彩的巨幅壁畫造就了中國繪畫史上特有的賦彩方法。
石窟寺壁畫在繪畫空間的處理上也極具特色，畫家們通過高超的構圖技巧，既拓展了繪畫的內容，也豐富了繪畫的表現力。例如，敦煌壁畫中有眾多的本生故事圖，通常是圍繞一個主題，採用「連環畫」的形式，使用多幅壁畫來共同表現主題的故事情節。儘管不同的壁畫圖像只是對應一個情節，但是通過對這些靜止圖像的合理組合，可以使故事情節達到連貫、動態的效果，在這裡，繪畫的空間藝術與講故事的時間藝術得到完美的結合。
而克孜爾石窟壁畫的本生故事圖在構圖上則有所不同，主要以菱形方格的形式來表現：每一個方格只描繪一個單獨的本生故事。由於受到畫面的限制，為了更深入地表現故事的內容，畫工們通常會截取整個本生故事中最具代表性的情節進行描繪。例如，克孜爾石窟壁畫中的「薩埵那太子本生故事圖」，選擇了「跳崖」和「飼虎」兩個最重要的情節進行描繪，突出表現了太子犧牲自我、救度眾生的主題。由於注重對情節的選擇和形象的塑造，因此在視覺語言上更加濃縮、精煉，同樣具有很強的藝術表現力。
由於捲軸畫和寺院壁畫目前存世的作品有限，石窟寺壁畫因此成為研究中國繪畫史的珍貴資料。此外，石窟寺壁畫儘管都是佛教題材，但是這些壁畫不僅反映了不同時代的宗教生活，同時也涉及了當時世俗社會的生活狀況，因此也成為研究不同時期音樂、舞蹈、建築、民俗等方面的重要史料。