龟兹是我国西汉时期西域北道诸国中比较强大的一支，它越葱岭(帕米尔高原)可南下印度，西通中亚，是中西文化交流的必经之地。因此，当佛教在印度兴起并不断向外传播时，北向东传的一支，首先到达龟兹，日渐与当地的社会、经济、文化融合在一起，形成了独具特色的龟兹石窟艺术。
所谓龟兹石窟，包括位于古代龟兹国领域内的所有石窟。据统计，有拜城县的克孜尔石窟236座、台台尔石窟八座、温巴石石窟八座、耶克埃力克石窟六座，库车县的库木上拉石窟99座、森木塞姆石窟52座、克孜尔朵哈石窟46座、玛扎伯哈石窟32座，新和县的托乎拉克埃肯石窟19座，共九处500座左右。其中以克孜尔石窟、库木土拉石窟最具代表性和地方特色。
克孜尔石窟，位于拜城东南方六十七公里处。北依断崖交错的明屋达格山，南对赭色的雀尔达格山，千滴泉从苏格特沟自北向南流出，约经二公里长的冲积扇后，注入木扎提河。在明屋达格山的悬崖陡壁上开凿的石窟，高低错落，大小相间，隐显绵延，长达3000余米。该窟据现有编号共计236座，其中80座存有壁画。分布情况是：谷西区82座，谷内区54座，谷东区65座，后山区35座。按形制组合、壁画内容和风格等分析，大致可分为中心柱窟、大像窟、僧房窟、方型窟四种类型。
中心柱窟。一般由主室、后室、中心柱三部分组成；增有前室的洞窟，大都未能留存至今。主室平面为方形或长方形，券顶，前、左、右壁与顶部相接处，有的界以出檐，壁面有壁画；正壁上部为弧形，壁面有塑像和绘画。后室平面多为长方形，较低窄，券顶，左右有甬道与主室相通，后壁前有平台，台上多塑有佛涅槃像(现均不存在)，各壁面多绘画。中心柱平面多近方形，前壁即主室正壁，后壁即后室前壁，多开龛塑像或绘画，是中心柱窟的主体部分。
大像窟。一般无前室，只有主室、后室、中心柱三部分。大像均立于主室正壁。这类窟实际上也是中心柱窟的一种，稍异者，只是在主室正壁突出地安排了大立像一躯，并扩大了后室面积。
僧房窟。一般由两部分组成，一是入口多为长条形、平顶或券顶的门道，门道后方的左或右侧开短甬道；一是进甬道后的主室，券顶，主室接甬道口的一面设灶，灶对面设矮坑，主室前壁中部开窗。
方形窟。一般有前室，但现存者极少。主室为方形或矩形，前壁正中开门，或前壁之一侧开门、一侧开窗。主室正中有的砌佛坛，坛上置塑像，现多不存。壁面分栏分格绘连续的佛传。有的主室无坛，但其后壁多绘以菩萨或高僧为中心的画(这可能是讲佛堂)，或后壁开龛置坐像，左右壁绘因缘佛传。此外，还有一些在各种情况下做成的小型窟。
上述四类窟，按其特点，建成的时间大体可划为三个阶段。第一阶段约在310—350年左右，可以谷西区的6、13、38、47、80号石窟为代表。第二阶段约在395—465年前后，可以谷西区的14、17、35、36、39、49、77号石窟，谷内区的92、104、118、119号石窟，谷东区的139、171号石窟为代表。第三阶段约在545—685年左右，可以谷西区的8、70号石窟，谷内区的107A、107B石窟，谷东区的148、180、182、185、187、190、197号石窟，后山区的201、234号石窟为代表。第一、第二阶段是克孜尔石窟的发生期和极盛期，第三阶段为延续期，大约到8世纪中期，有的洞窟就开始荒废了。
库木土拉石窟在库车城西南约30公里处。渭干河(即木扎提河)经克孜尔石窟后，穿群山，走狭谷，至库木土拉而东触绝壁，转向南流出山。在河湾东岸的绝壁叠障中，南北排开，鳞次栉比地分布着延续四里之遥的库木土拉石窟群。据现在编号，共112个洞窟，其中约40多个存有壁画。分布情况是：南部谷口区32座，比较分散；北部洞窟较集中，但被自东向西的小谷分割成三：谷南区41座，谷内区18座，谷北区22座。
库木土拉石窟群晚于克孜尔石窟群，其形制除个别洞窟稍具特点外，无多大变化。洞内塑像绝大部分未存，无从研究。依靠现存洞窟内壁画资料分析，该窟基本上可划分成克孜尔、敦煌、伯孜克里克三种类型。
克孜尔型。库木吐拉石窟靠近克孜尔窟群，同处一个文化区内，且多数窟的开凿时间又晚于克孜尔石窟，故继承克孜尔石窟风格的洞窟，大约有20个左右，占现存有壁画洞窟的1/2以上，其中又以43、46窟最为典型。总的说来，属于克孜尔型洞窟内的壁画已趋向没落。
敦煌型。是指受敦煌壁画影响而形成的一批洞窟。洞内的壁画具有中原画的特色，内容和画法都异于克孜尔型。据现存遗物特征统计，这类洞窟包括4、11—17、36、42、45、61、66、71、75号等，大约20个洞窟，多分布在山崖下层，靠近河滩，位置明显，交通方便，极便于广大僧徒施行功德。
伯孜克里克型。据9、38号洞窟现存壁画观察，其内容主要是高大的列佛，风格为暖红色基调和均匀的铁线描，表现了高昌地区所特有的艺术情调。此外，还有近似白描的画法，画像多表现回鹘供养人。
龟兹石窟的特点，大致是：
第一，具有代表性的大多数洞窟，其形制、基本结构都由主室、后室、中心塔柱、两甬道组成，纵续几百年不变，横跨千百里相同。这一特征的形成，除当时的社会政治因素外，主要与当地的崖质结构、凿窟地层有关。这一地区的山崖，多为质地疏松的沙岩，费工少，见效快，但易坍塌。所以，凿窟时都须多开室，运用小空间、设中心柱的基本原理。中心塔柱不仅可支撑窟室防止崩塌，分隔前、后室便于合理布局，更重要的是能适应僧尼右旋礼佛的需要。
第二，石窟中开凿的大像窟、雕塑的大型佛较多，如克孜尔窟六处，森木塞姆窟二处，库木吐拉窟四处，克孜尔朵哈窟四处。这种现象一直持续到唐初玄奘出使西域时。
第三，石窟壁画的题材，佛传故事占有大量篇幅，有的长达60幅，最常见的则为佛说法图。佛传故事和佛本生故事，几乎占去“龟兹式”礼佛窟的大部分窟面。其中垂直壁面以佛传故事为主，窟顶壁面以佛本生故事为主。一个窟面上，有的画近百个以上的佛本生故事，这在我国其他地区的石窟壁画中是未有的。如此强调累积业行，寻求自我解脱(成佛)的内容，说明龟兹佛教还带有早期佛教和小乘佛教的特点。从壁画风格看，动人的艺术形象，则是龟兹石窟壁画的一大特色。
第四，壁画装饰艺术别具特色。画中建筑结构的“骨骼”与壁画构成的“血肉”关系，是龟兹式礼佛窟建筑与壁画有机结合的一个特点。画技中“曲铁盘丝”的线条与凹凸晕染法相结合，也是我国其他地区壁画中没有或少有的。
在克孜尔早期石窟中已出现了大乘佛像。如第一阶段的38号中心柱窟，主室前壁两侧各置一立佛龛；47号大像窟中有成列的佛像。第二阶段的27号、99号两中心柱窟，主室左、右壁面的千佛龛；17号中心柱窟，后室左甬道的卢舍那佛壁画等。说明在鸠摩罗什宣扬大乘佛教之前和东行之后，克孜尔石窟都有大乘佛教的图像。16世纪中期以后，龟兹大乘佛教似更盛行，在库木吐拉石窟壁画中已有了净土变题材。
龟兹石窟中的寺院窟。在克孜尔已编石窟中有成组成寺的组合现象，根据现有材料分析至少有七组。即2—19窟，27—43窟，96—101窟，175—180窟，181—191窟，202—219窟等。这些组窟的特点是同组内洞窟相互靠近，两端有自然界限使其与组外洞窟保持较大距离；同组洞窟在较多方面有多种关联；各组洞窟构成类别相同，即都有五个佛堂，一个条形窟；各组都有一个中心佛堂，其位置居中，形体高大，体制特殊，装修考究，壁画精致。于此可见，各组洞窟都是一个封闭的单元。它与律藏记载的佛陀时期的寺院制度有许多相似之处。因此似可认为，一组有五个佛堂的洞窟即可能是一所五座佛堂寺院。这种寺院的由来，可在印度有关佛塔、佛寺的文献中找到渊源。
这些组合窟或组合寺院，从其窟形结构、类型、壁画题材等方面，可将七个组合窟分成前、后两期。前期约在五六世纪，特点是各组寺院都有五个佛堂，一个讲堂，两个杂房，一个条形窟，若干僧房及一些残窟。后期约在七八世纪，特点是各组寺院都有五个佛堂、一个条形窟，没有讲堂、僧房和残窟。由此可见，前期寺院窟可进行一般的佛事活动，后期寺院窟除可举行礼佛外，其他活动亦可进行。
在克孜尔石窟中出现的寺院窟，在龟兹其他地方的石窟中也有类似情况。有学者指出：“森木塞姆石窟附近的大寺院遗址以及克孜尔朵哈石窟中的具有多种功能的洞窟组合，说明它们就是当时当地的寺院和塔庙。”两处石窟都以塔庙或中心柱窟为中心，形成包括中心柱窟、方形窟、僧房窟等多类组合的五区或五组洞窟。这使我们联想到《出三藏记集》卷十一《比丘尼戒本本末序》中所记拘夷国寺庙分为僧寺、尼寺、王新寺等五处的情形。尽管彼此可能是数字上的巧合，但能说明龟兹石窟中，洞窟成组成区的组合布局是有其特定意义的。
龟兹石窟演化的轨迹。克孜尔石窟群属龟兹早期石窟，具有印度风格；库木土拉石窟群属龟兹晚期石窟，具有中原汉唐风格，且相当发达。二者虽有明显的差异，但尚具有某些继承性。
第一，僧房窟的演化。克孜尔的僧房窟，初凿于4世纪。五六世纪时，一些僧房窟陆续被淘汰。七八世纪时，不再建僧房窟。
第二，壁画题材的演化。克孜尔窟群早期绘画题材，多在菱格中绘佛本生、佛本行故事。中期则出现菱格千佛和菱格塔千佛，其后逐渐向单纯千佛演变，形成晚期的千佛系图像。
第三，中心柱窟的演化。早期中心柱窟，主室平面与后甬道等宽，或略宽于后甬道；主室窟顶皆为纵券顶；无前室、后室，后甬道与左、右甬道高；中心柱正面凿一龛，主室及左、右甬道无龛。中期以降，中心柱窟出现后甬道宽于主室的平面；主室窟顶出现四套斗顶、平棋顶及穹窿顶等多种形制；有前、后室，后甬道加宽加高；主室、后室侧壁与中心柱左、右、后壁普遍开出小龛；主室、后室的左、右侧壁，凿像台塑立像。晚期中心柱窟出现改造早期僧房窟的现象，窟形趋于简化。