壁画是榆林窟艺术的代表，也是其价值的最大体现。榆林窟壁画多为唐代至元代800余年间的作品。内容十分丰富，有场面宏大的巨幅经变画，形象生动的单幅佛像画、装饰图案和种类繁多的奇花异草、飞禽走兽，还有一定数量的当时社会生活、生产、科技等现实画面。从唐到元，历代都有佳作，其中第25窟的唐代壁画，更是世所罕见的珍品。
唐代洞窟中第25窟艺术价值颇高，前室正壁门两侧分别绘毗琉璃天王像和毗沙门天王像。主室窟顶绘有千佛。正壁中部绘卢舍那佛像和虚空藏、弥勒、地藏、文殊等八大菩萨像。北侧绘释迦行像。
南、北两侧壁分别绘有观无量寿经变、弥勒经变。前壁门两侧绘文殊变、普贤变。全窟壁画构图严谨、造型逼真，色彩绚丽。威武有力的天王、力士、庄严慈祥的菩萨，栩栩如生的昆仑奴及狮子、白象，神态生动，线条潇洒流畅，充分体现了唐代风格和精湛技艺。
北壁的“弥勒净土变”是一幅构思精密的大幅画。画面结跏趺坐的弥勒佛居中正在说法，宝盖悬空，圣众围绕，众多人物姿态、性格和神情迥然不同，佛的庄严，菩萨的恬静，天王、力士的勇武，表现得淋漓尽致，显示出画家惊人的技艺。
经变中还穿插着许多小型构图。左上角的《农作图》，绘1个农民扶犁耕地，后面跟1个撒种的妇女，旁绘1个农民持镰收割，场上堆放着粮捆，1个农民双手执六齿叉扬场，1个妇女持扫帚掠扫。这些生产场景具体而真实的反映了唐代农业生产的方式和农民的劳动生活。
经变下方左右对称的《男女剃度图》，有剃头的、盥洗的、更衣的、侍立的，还有徘徊观望的，各种各样的姿态动作，表现了各自不同的思想感情。
此外，还有《扫街图》、《宴会图》、《写经图》、《探亲图》等描绘社会生活的画面。这些小构图是经变的有机组成部分，它使神秘而肃穆的天国充满了浓郁的人间生活的气息。南壁的《西方净土变》，画面展示了佛徒理想中的极乐世界。画面上楼台亭阁平列环抱，菩提树下阿弥陀佛朗朗说法，十大菩萨次第拥坐，静听佛语。天上仙鹤起舞，飞天散花；地上荷花盛开，碧波荡漾。
殿堂前舞女伎腰悬长鼓，舒臂轻击，双脚起落交错作踏歌状。两边8位乐师亦皆是女性，或签、或笛、或箫、或琴，各执一技，悠然自得，观之使人有飘然欲仙之感。西壁门两侧对称绘的“文殊变”和“普贤变”也各具特色。
第25窟的壁画，色彩绚烂富丽，人物丰腴健美，构图宏伟严密，富于想象，线条道劲流畅，具有吴道子一派的风格，“良工运精思，巧极似有神”，充分体现了唐代绘画的高度艺术成就。
五代及宋初，曹议金家族继张议潮之后，管理瓜、沙等州百余年之久，曹氏家族利用河西一隅的暂时安定，大力兴建石窟，彩绘壁画，以粉饰太平，这一时期开凿的榆林窟洞窟较多，占榆林窟全部洞窟的一半。
榆林窟第16窟是五代早期的一个洞窟，窟内所画的飞天，虽然没有唐代飞天的生动活泼、身姿俏丽参加者，但装饰性十分好。
例如第16窟中一身弹古筝和一身弹箜篌的飞天，画得很完美，飞天皆头束发髻，弯眉大眼，直鼻小唇，脸形丰圆，耳垂环绕，半裸上体，胸饰璎珞，臂饰镯钏，腰系长裙，赤脚外露，双手娴熟地弹拨琴弦，姿态优雅。
第16窟最大的特点是飞舞的巾带是身体长的3倍，飞舞的巾带中间有飘旋的花朵，飞舞的巾带下面有彩云流转，飞天好似逆风翱翔在彩云上，整个画面对称均等，装饰性很强。
此外，曹氏家族修建的洞窟甬道上大都绘着他们的巨幅供养肖像。如第16窟曹议金夫妇供养像，曹氏夫人像的榜题上写“北方大回鹘国圣天公主李氏一心供养”，显示出这位回鹘公主的显赫身份。
五代及宋初兴建和重修洞窟23个。壁画题材主要有经变画、尊像画、佛传故事画、佛教史迹画、瑞像故事画和供养人画像等5类。
其中的供养人画像，数量较多，分为3种，即：曹氏归义军政权的执政者及其眷属、大小官吏的画像；与曹氏联姻的少数民族地方政权统治者画像，如于阗王和王后，吐谷浑慕容归盈出行图等；曹氏画院的“都勾当画院使”、“知画手”、“都画匠作”、“画匠”等的画像。
这一时期的供养人画像，不仅具有高度的艺术价值，而且这些画像和题记为研究瓜沙曹氏统治河西的历史提供了可靠的资料。
五代宋初诸窟的壁画，内容风格大都承袭前代。但在一些洞窟出现了敦煌石窟少有的题材。如五代第32窟西壁的《梵网经变》，北壁东侧的《维摩诘经变》中还有《围棋图》等文化娱乐场面。五代第19窟前甬道的《地狱变》等。
西夏、元时期，共兴建和重建洞窟16个，榆林窟出现了最后的兴盛局面。这一时期的壁画在题材和风格上都有自己独到之处。壁画题材主要有经变画、佛像画、供养人画像、装饰图案等几类。
供养人画像中有人物和衣冠服饰迥异的党项羌、回鹘、蒙古族贵族官吏和侍从的画像。西夏早期壁画艺术与宋代壁画一脉相承，后期的第2窟、第3窟、第29窟与元代的第4窟、第10窟等典型洞窟的壁画艺术表现了3种新风格。
一是中原绘画风格，人物衣冠如道教神仙，线描精致流畅，变化丰富，色彩清淡典雅，这是受宋辽影响而出现的新的艺术风格。
二是藏传密宗风格，人物比例适度，形象有明显的尼泊尔和印度的影响，线描圆润秀劲，设色冷峻浓艳，具有浓厚的神秘气氛。
三是西夏艺术风格。这时期人物造型和服饰具有西夏的民族特征。第2窟《水月观音图》，第3窟《文殊变》、《普贤变》、《西方净土变》、《千手千眼观音变》。第4窟《释迦》、《多宝曼荼罗》、《不空绢索曼荼罗》等是代表这个时期高度艺术水平的作品。
西夏榆林窟壁画中，有一些科技画卷十分有价值，比如西夏第3窟东壁南侧的《千手观音》壁画，可以说该壁画是敦煌石窟壁画中反映科技史的杰作。
画工在观音的每只手中描绘了一件当时社会生活中的物品，给后人留下了许多工农业生产工具及其他物品的形象。其中的《酿酒图》和《锻铁图》最为有名。
据考证，《酿酒图》中的酿酒装置为酿造烧酒的蒸馏器。《锻铁图》中冶炼炉上鼓风用的是竖式梯形木风箱。
1044年，我国就有了木风扇的记载。到14世纪初的元代，又将木风扇用于“水排”。我国采用木风扇鼓风进行熔冶，比欧洲早五六百年。边远的西夏银铁炉上，出现这种先进鼓风技术，说明早在八九百年前，鼓风箱在我国已得到普遍推广。
观音的若干手中还拿有许多人物、动物、花卉草木、瓜果食品、建筑物、兵器、法器、乐器、雨伞、瓶、盘、坛、罐、壶之类的各式。