古印度的佛教大约在公元前：世纪就传入新疆，开始是以讲读佛经的方式传播，以后逐渐传入印度的凿窟造像技术，以艺术的形式，由西向东弘扬。石窟艺术同佛教的文化思想传播情况一样，曾经融进了诸种民族文化的影响，约形成于公元前100年，至公元后300年的所谓键陀罗艺术，就是印度佛教与希腊艺术的结合体。这种艺术传到新疆，很快为聪明、好学的古代新疆人民所接受，并加以改进和创造，与我国传统的艺术方法结合，形成了具有浓郁地方特色、富丽堂皇的新疆石窟艺术。
新疆石窟约开凿于公元3世纪左右，遗留至今的遗址，主要分布于南疆的拜城一库车，以至东疆的吐鲁番一带。与印度阿族陀石窟一样，新疆石窟也都选山寂空远、溪水中流处，洞山为窟，这与佛经上记载佛祖释逸牟尼静坐修行有关，与阿族陀、键陀罗，乃至早期印度佛教的山奇艺术比较，新疆石窟艺术自有它独具的特点。首先是它的窟形建筑及内部结构艺术。新疆石窟由于多选在沉积砂岩的崖壁上凿建，建造方法便得到自然的发展。出现较多的窟形是将古印度的佛塔建筑与新疆的洞窟建筑完美的结合，而形成一种长方形纵券顶，中部用中心柱将洞窟分为前后二室，两旁开走廊式雨道相联通的窟形，有人称此为"中心柱"式，亦有人称"龟兹"式。它巧妙地利用前室明亮、高敞，后室阴暗、低窄的特点，表现释迦佛生前的善行和死后的悲哀情景，加强了艺术效果。其二是艺术表现手段。新疆石窟雕刻，因系砾岩，一般在雕造之初即外加泥塑，施以彩色，因此多为彩塑，也有木雕和个别石雕的。可惜大都没有留存下来，壁画艺术却在新疆石窟中占有突出地位，这些壁画从佛的"诞生，到太子出家以至成佛、降魔、说法、涅磐、分舍利等，都有多方面的描绘。在画面装饰上，新疆古代画师从当地民族传统形式和审美观念出发，创造性地运用了菱形方格图案。每个菱形格内绘一个独立内容的画面，中后期的人物造型，也一改明显的键陀罗式，呈现出与中国式合成迹象，并出现当地民族的形像。其三是壁画绘制技法。新疆石窟壁画的绘法，采用古代西域流行的晕染法，即凹凸法，结合"铁线描"式的轮廓勾勒，二者有机的结合，使画面明暗相映，富于层次，立体感很强。这种在当地自成体系的绘法，后传入中原，而成为中原美术领域一个重要的艺术流派。
石窟是古代佛教僧侣及善男信女活动的场所。其类型一般分为供瞻仰礼佛的"支提窟"，和供僧侣坐禅修行的"毕河罗窟"，还有一种称为"影窟"的，是为存放佛教高僧的舍利修建的，一般置于支提窟旁，新疆如克孜尔石窟的早期布局，是将这些不同类型的窟，有规律的组合成一个个单元，每个单元即可能为一座佛寺，称做僧房的毕河罗窟数量比较多。这在我国内地都是罕见的，它反映了早期佛教传入时的特点。以壁画题材而言，宣扬佛"前生善行"的故事，是新疆石窟壁画中不仅数量居多，而且是最有生气、最富变幻的内容。这也有别于敦煌石窟，而成为新疆石窟壁画的一大特色。
新疆中心柱式石窟的内部布局，一般在进前室的正壁塔柱上开凿大龛，龛内或塑佛像，或绘佛说法图，按照佛教徒右旋绕塔礼佛的走法，可从前室穿甬道进入后室。后室内壁亦或塑佛涅磐或绘佛涅梁。满窟的壁画安排，是在前室围绕龛内佛像，左右画众弟子听法，其上绘伎乐和飞天。前室两壁多以方格为界，画出佛说法的各式姿态；或不拘形式，画以说法为中心的佛传故事。与两壁相接的天界以上直到窟顶，皆用菱形格区划，其中多画单幅的佛本生故事，也有用因缘故事和坐佛来代替。后室则围绕佛涅磐，正面画诸弟子举哀图，四周绘焚棺图和八国国王分舍利图。甬道两壁一般画天王像、供养人像，画面用色多以红、绿、蓝为主，使得满窟瑰丽多彩、堂皇富丽。上述传统的佛教内容，往往因地域、时代的不同，而融进了当地的世俗生活情景，如憎侣生活、武士姿态、供养人服饰，还有古代新疆的音乐、歌舞、建筑、农耕、织布、制陶等画面，壁画上还留有不同民族的古文字题记。新疆石窟艺术无疑为研究我国的佛教发展和新疆地区古代社会及文化艺术、工艺美术的发展史提供了极有价值的形象化资料。
佛教在新疆兴盛延续了千余年，直至公元14世纪才完全被伊斯兰教所取代，那些灿若星辰般的石窟群落，经历了被冷落、被荒废，甚至被盗掘、毁坏，直到新中国成立后，才得到妥善的保护和维修。今天新疆的石窟遗存，由西向东依次有：三仙洞、克孜尔石窟、库木吐拉石窟、克孜尔孕哈石窟、森木塞姆石窟、玛扎伯赫石窟、托唿拉克艾肯石窟、柏孜克里克石窟、胜金口石窟、雅尔湖石窟、吐峪沟石窟。此外，还有温宿县的吐和拉克石窟、拜城县的台台尔、温巴什石窟。上述石窟寺遗存均为国家级和自治区级重点文物保护单位，正在受到积极有效的保护、修复和利用。