五代和宋朝的时候，敦煌莫高窟存留下来的有100多窟，多为改建、重绘的前朝窟室，形制主要是佛坛窟和殿堂窟。从晚唐至五代，统治敦煌的张氏和曹氏家族均崇信佛教，为莫高窟出资甚多，因此供养人画像在这个阶段大量出现，内容也很丰富。
塑像和壁画都沿袭了晚唐的风格，但越到后期，其形式就越显公式化，美术技法水平也有所降低。
这一时期的典型洞窟有第61窟和第98窟等，其中第61窟的地图《五台山图》是莫高窟最大的壁画，高5米，长13.5米，绘出了山西五台山周边的山川地形、城池寺院、亭台楼阁等，堪称恢宏壮观。
在11世纪初，西北地区的党项族开始兴起，逐步强大起来。1028年取胜甘肃回鹘，继而攻陷瓜州、沙州，称霸河西，于1038年建立了西夏王朝。于是，在当时形成了宋、辽、西夏三足鼎立的局面。
在西夏统治敦煌的100多年间，由于重视经济发展，使敦煌保持着汉代以来“民物富庶，与中原不殊”的水平。
西夏统治者崇信佛教，也不排斥汉文化，在文化艺术方面也有大的发展。千百年来，莫高窟和榆林窟保存着大量丰富而独特的西夏佛教艺术，举世闻名的“敦煌遗书”即在西夏统治时期封藏于莫高窟第17窟内。
1206年，元太祖铁木真统一漠北各部族，成立了强大的部落联盟。
1227年，蒙古大军灭西夏，攻克沙州等地，河西地区归元朝所有。此后，敦煌为沙州路，隶属甘肃行中书省，后为沙州总管府。
元朝远征西方，必经敦煌。当时瓜、沙两州屯兵济济，营寨栉比，屯垦农兵遍布党河和疏勒河流域。敦煌一度呈现出经济文化繁荣的景象，和西域的贸易更加频繁。
著名旅行家意大利人马可·波罗就是这一时期途经敦煌漫游到中原各地的。元朝统治者也崇信佛教，使得莫高窟的开造得以延续。
莫高窟共有西夏和元代的洞窟85窟，其中西夏修窟77窟，多为改造和修缮的前朝洞窟，洞窟形制和壁画雕塑基本都沿袭了前朝的风格。一些西夏中期的洞窟出现回鹘王的形象，可能与回鹘人有关。而到了西夏晚期，壁画中又出现了西藏密宗的内容。
元代洞窟只有8窟，全部是新开凿的，出现了方形窟中设圆形佛坛形制，壁画和雕塑基本上都和西藏密宗有关。典型洞窟有第3窟、第61窟和第465窟等。
从五代至元代，大约460余年，这一时期的敦煌飞天继承唐代余风，图形动态上无所创新，逐步走向公式化，已无隋代时创新多变和唐代时的进取奋发精神。
飞天的艺术水平和风格特点虽有不同，但一代不如一代，逐渐失去了原有的艺术生命。
不过历代政权都崇信佛教，在莫高窟、榆林窟新建和重修了大量洞窟，并且建有画院，聘用了一些当时著名的画匠继承仿效唐代风格特点，在榆林窟和莫高窟也留下了一些上乘的飞天之作。其代表作品是榆林窟第16窟和莫高窟第327窟中的飞天。
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窟中一个弹古筝和一个弹箜篌的飞天，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窟最大的特点是飞天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。
第327窟中的飞天一手托花盘，一手弹凤首箜篌，逆风飞翔，衣裙飘曳，长带飞舞，飞天身上，鲜花纷落，飞天身下，彩云飞旋，虽无唐代飞天的气势，但其飞行动态也很生动，可以说是宋代飞天的代表作品。
莫高窟西夏时期的飞天，一部分沿袭宋代的风格，一部分具有西夏独特的风格，最大的特点是把西夏党项族人物风貌和民俗特点融入了飞天的形象，脸形长圆，两腮外鼓，深目尖鼻，身体健壮，身穿皮衣，多饰珠珠，世俗性很强。
其中具有代表性的是第97窟中的童子飞天，该窟西壁佛龛内侧，各画一处童子散花飞天，形象、姿态、衣服相同，头顶秃发，两侧梳小辫，圆脸细眉，眼角上翘，赤膊光腿，肌肉丰满，体格健壮。臂饰珠镯宝钏，腰系兽皮肚围，脚空短筒皮靴。
童子飞天一手持莲花，一手持花盘，一腿弯曲，一腿上扬，由上而下飞行。背上彩带飞舞，飞动气势不强。这两个飞天已无早期神天佛国乐神和歌神的神态，也无唐代飞天婀娜多姿的风韵。
如果抹去童子飞天臂上的巾带，脚下的彩云完全是一位党项族打扮的男童，从人物形象、发式、衣饰上看，都表现出了西夏党族的特点和生活风格。
元代时期，广泛流行密宗，分藏密和汉密，藏传密宗艺术中无飞天，汉传密宗艺术中存留的飞天也不多。其中具有代表性的是画在第三窟南壁和北壁《千手千眼观音经变》图上方两角的四身飞天，北壁《观音经变》图上方两身飞天造型较为完美。敦煌飞天，经历了千余年的岁月，展示了不同的时代特色和民族风格，许多优美的形象，欢乐的境界，永恒的艺术生命力至今仍然吸引着人们。
敦煌莫高窟壁画堪称世界一绝，那么究竟是谁绘成了这些堪称世界艺术瑰宝的敦煌壁画呢？人们一直期待从莫高窟北区找到关于壁画作者的千古谜底。甚至肯定地认为，莫高窟北区的很多洞窟是敦煌画师的住所。
但是来自北区洞窟的发现表明，这些洞窟是僧人居住修行或印制佛经的地方，这使得关于壁画作者的千古之谜更加扑朔迷离。
根据对敦煌壁画题记和敦煌文献的研究，大约只有10世纪左右的壁画画工有零星资料，而在4世纪至9世纪的壁画中，找不到关于作者的任何资料。
浩繁的敦煌文献和大量壁画题记中，有关壁画作者的题记和文献记载，总共只有40多条，有名有姓的壁画作者仅有平咄子等12人。
在开凿于元代的第3窟南北两壁，画着极其精美的千手千眼观音像，这两幅千手千眼观音像以线写形，以色显容，用遒劲有力的线条勾勒人物轮廓，轮廓内再淡施晕染，有些不施色彩却见肌肤，被公认为是敦煌壁画的极品。
千手千眼观音像壁画的落款为“甘州史小玉笔”，专家认为史小玉应该是甘肃张掖人，但史小玉很可能是艺名而非真名，至于其生平已经无从考证。
自元朝以后，千里河西逐渐失去了昔日的光彩。