1942年，中央研究院組織“西北史地考察團”，向達、勞幹、石璋如等赴敦煌，考察莫高窟、榆林窟，還對敦煌周邊古遺址做了調查。1942年考察的主要成果有石璋如整理的三卷本《莫高窟形》，用考古學的方法對莫高窟各個洞窟的窟形做了測量、照相、文字記錄。
1944-1945年，中央研究院和北京大學組成“西北科學考察團”，向達、夏鼐、閻文儒等對敦煌莫高窟進行考察，還調查了敦煌的漢長城遺址，發掘了一些古墓葬。向達的兩次敦煌考察，對敦煌石窟大部分洞窟登入內容，抄錄碑文、題記，考證洞窟年代等。
他以《瓜沙談住》為總題，發表了《西征小記》《兩關雜考》《莫高、榆林二窟雜考》《羅叔言（補唐書張議潮傳）補正》等四篇文章，創立了將敦煌文獻研究與實地考察調查、考古調查相結合的科學研研究。
發現和保護，莫高窟在明代一度荒廢，鮮為人知。至清代有文人記錄有關莫高窟的資料，並探討它的建立年代和歷史。
光緒二十六年（1900）道士王圓籙發現藏經洞後，英國的m.A.斯坦因、法國人伯希和、日本人橘瑞超和吉川小一郎相繼掠走洞中大量經書等文物，俄國人S.F.奧爾登堡、美國人L.華爾納還盜走莫高窟的一些壁畫。
這一時期的洞窟，主像一般是釋迦牟尼或彌勒，還有釋迦多寶並坐像、菩薩像和禪僧像等。
這類故事畫的構圖，除單幅的外，多為橫卷連環畫形式。
例如，莫高窟285窟的《五百強盜成佛》故事畫，表現了作戰、被俘、審訊、受刑等場面。
以白色為底，色調清新雅緻，風格明快灑脫，是西魏壁畫的傑作。北朝佛教重視禪行，故此時洞窟內容多與僧人坐禪觀佛的宗教活動有關。
北魏壁畫多以土紅為底色，用青、綠、赭、白等色敷彩，色彩熱烈厚重，風格樸拙渾厚，並有濃厚的西域佛教藝術特徵。
西魏以後多用白色壁面為底，色調趨於清新雅緻，風格明快灑脫為莫高窟的全盛期，洞窟佔總數的60％以上。
典型窟形是平面方形的覆鬥頂窟，一般正壁鑿一龕，新出現南、西、北三壁各鑿一龕的形式。
這一時期塑像風格與中原地區更趨一致，塑造形體和刻畫人物性格的技藝進一步提高，題材內容增多，出現前代不見的高大塑像。
例如，莫高窟第45窟的塑像塑於正壁龕內，為一佛二弟子二菩薩二天王像。佛像莊嚴，弟子謙恭，菩薩窈窕，天王雄健，整組造像豐滿圓潤，形象逼真，是莫高窟盛唐時期雕塑的傑出代表。
第96窟的“北大像”高35.5米（2002年敦煌研究院資料），第130窟的“南大像”高26米。第148窟主尊涅盤像長約15米，像後有72身弟子，各呈悲容，神態不一，是莫高窟最大的一組彩塑群像。
隋唐時期的壁畫題材豐富，場面宏偉，色彩瑰麗。人物造型、敷彩暈染和線描技藝達到空前水平。
此時供養人像形體較大，多佔據甬道兩壁或窟內顯著位置，如唐後期第156窟的《張議潮統軍出行圖》和《宋國夫人出行圖》。
這兩幅畫表現了晚唐時期歸義軍節度使張議潮和夫人出行的場面，在橫幅長卷式壁畫上，儀仗、音樂、舞蹈、隨從護衛等人物分段佈滿畫面，組成浩浩蕩蕩的出行行列，開創了莫高窟在佛窟內繪製為個人歌功頌德壁畫的先例。
壁畫題材多沿襲唐代，主要有佛像畫、經變畫、佛教史蹟畫、瑞像圖和供養人畫像。第61窟有通貫西壁的巨幅《五臺山圖》，面積約50平方米，是莫高窟最大的一幅壁畫。
畫中運用鳥瞰式透視法，描繪了河北道鎮州至太原、五臺山方圓數百里內的山巒、河流、城市、橋樑、店鋪、寺廟、蘭若、菴廬、佛塔，以及其中的送貢、進香、商旅、行腳、推磨、踏碓等各種人物活動，是一幅形象的歷史地圖和社會生活圖景。
後期出現公式化，經變內容空洞，人物神情呆板，色彩貧乏，線條柔弱無力。
這一時期新開鑿的洞窟很少。西夏多是改建舊窟，重繪壁畫。壁畫雖多，新題材很少，但在構圖和敷彩上有特點。
壁畫中供養菩薩行列變得高大，多佔據甬道或壁面下部的顯著位置。淨土變之類的經變畫，構圖銳意簡化，有的幾乎與千佛像難以區分。
畫面構圖和人物形象都過於程式化，呆滯而缺少生氣。色彩以綠為底色，用土紅勾線，整個畫面色調偏冷。較多地使用瀝