炳靈寺石窟的許多洞窟中保有了大量石窟壁畫，總面積約有一千余平方米，在時代上，上至西秦（十六國），下至明代，之間涵蓋北朝隋唐， 從西秦至明代，炳靈寺石窟壁畫以長達一千余年的時間跨度，為世人留下了一千余平方米的珍貴藝術瑰寶，不僅向我們展現了炳靈寺漢傳佛教與藏傳佛教的歷史印跡，而且是研究相關歷史時期佛教藝術與繪畫藝術不可多得的珍貴資料

  西秦壁畫的主要代表是169窟，完成于建弘元年（公元420年）前后，表現內容為尊像畫、因緣故事、供養人及裝飾圖案等。繪畫技法則以中國傳統線描為主，有些則為了突出立體感而采用了西域暈染法，但相對較為簡略。顏色則以耐久的礦物質石青、石綠、土紅為主，畫風簡潔明快，肅穆莊重。
  隋代壁畫以第8窟保存最好，線條流暢，色彩濃重，姿容端莊，頗為大氣，尤其菩薩與弟子衣領所繪具有中亞波斯風格的聯珠紋給人留下深刻印象。

唐代壁畫留存不多，一方面是由于唐代炳靈寺石窟藝術是以石雕為主，另一個原因是明代重妝時，多以新作將唐窟壁畫覆蓋。

       所存唐代壁畫彩色鮮艷，以裝飾性圖案為主，工藝簡單，不做地仗，直接在崖壁上涂上底色后繪成。
 明代壁畫多為利用原有洞窟實施重妝而新繪制的藏傳佛教壁畫，題材豐富，線描細密，色彩濃烈，刻畫生動，藝術沖擊力強烈。