麦积山石窟壁画数量不多，但保存有中国最早的大型经变画，对中国佛教绘画艺术的传播产生了重要作用，并影响到包括敦煌在内的整个河西走廊地区北朝晚期到隋唐时期经变画的发展。

第127窟是保存壁画最多的一个洞窟。该窟正壁绘涅槃经变、左壁绘维摩诘经变、右壁绘西方净土变、前披绘睒子本生、正披及左右披绘舍身饲虎本生、前壁下部绘地狱变，窟顶绘帝释天，这些壁画是北朝时期的壁画精品，具有很高的艺术成就。第26、27窟的法华经变和涅槃经变也是北周时期重要的成熟的经变画。北周第4窟的“薄肉塑”伎乐飞天组画，绘塑结合，构思奇妙，是中西文化结合的典范，不见于其他石窟。

《涅槃经变》：正壁上部，纵2.20米、横8.22米，略有残损。中间绘一佛二菩萨，左右有山水树木，为释迦说法图。其左侧绘释迦涅槃前最后一次说法和涅槃的情形。右侧绘“八王争舍利”，车马人物，姿态各异，争战激烈，气势磅礴，下部还有宏大的进军行列。第135窟正壁也绘大型涅槃变。

《维摩诘经变》：左壁上部，纵2.30米、横4.48米，略有残损。画面充分展示了《维摩诘所说经·问疾品》所描绘的场面：左侧维摩诘端坐于须弥座上，镇定自若，右侧文殊率众菩萨、声闻及诸天人姗姗而来。画面还描绘了该经《方便品》中的国王、大臣和《香积品》中的吉祥天女形象。规模宏大壮观，是早期经变画中的优秀作品。

《西方净土变》：右壁上部，画面高1.63米、长4.55米，是我国石窟寺中现存时代最早、规模最大、内容最完备的一幅净土变。画面正中一佛结跏趺坐于须弥座上，后有宝盖殿堂，前设高台栏杆，旁及树木城墙，墙上有角楼。佛左右分列二菩萨，再两边各有弟子二身、比丘十身恭身侍立。座前正中置建鼓一面，旁各一伎乐击鼓，再两旁各有一伎乐，戴花蔓冠，内穿紧身小袄，外套广袖衫，腰系曳地长裙，舒袖起舞。再向两侧又各有四身跽坐的伎乐手持乐器演奏，乐器有笙、箫、鼓、竽及箜篌等。画面左侧城外七宝莲池畔，有十余位僧众人等朝佛走来。左侧城外大树旁有比丘和女供养人各十余身，亦朝佛而来。

《七佛图》：前壁上部，画面高1.47米、长8.22米。七佛平列，结跏趺坐于须弥座上，其左右各有二胁侍菩萨或弟子，立于圆莲座上，躯体修长，仪态潇洒。其左右又各绘供养比丘数身，身穿各色袈裟，或手托供品，或笼袖而立。衣饰、佛座、宝盖、背光等，多用青、绿加墨色描绘。

《地狱变》：前壁下部，面积约14平方米。左侧绘《地狱变》中的“善报”，阎罗宫殿楼阁因被熏黑隐约可辨，两条墨书榜题清晰：“此人行十善得参道时”，“诸天罗汉迎去时”。右侧绘《地狱变》中的“恶报”，烟熏严重，隐约可见鬼差数身，其他内容不辨，墨书榜题可辨识者两条：“此人生时好□□当堕刀山地狱”，“此生时好□□□□令入截臂地狱”。左侧下部绘战骑图，画中的飞天随风飞舞，骑士戴冑披甲，一匹着甲红马，纵横驰聘。

帝释天：窟顶正中长方形藻井内，纵1.32米、横4.68米。帝释天身穿袍服，端坐于四龙云车之上，前有飞天导引，后有仙人、羽人乘龙护送；上有华盖，旌幡飘扬，旁有诸天相随。色彩灰暗，铁线描清晰，晕染的石青、石绿尚且鲜艳。其内容一说为东王公巡游。

《睒子本生》故事画：窟顶前坡，坡面呈梯形，上底边长4.61米，下底边长7.35米，高1.30米，为长卷式佛本生故事画。现存画面以迦夷国“国王狩猎”“拜见盲夫妇”“帝释天施药”“睒子复生”为主要情节。前者绘国王及侍从们纵马奔驰在深山旷野之间，鸟兽惊慌四散，极富生活情趣。后者绘草庐前，国王寻找盲夫妇，门外端坐的盲夫妇似急切地盼望儿子回来，国王似告知睒子不幸中箭的经过。

《萨埵太子舍身饲虎》：窟顶左、右梯形坡，左坡上底长1.34米，下底长3.80米，高1.10米，左、右坡梯形大小一样。画面以三位王子“出游”、萨埵“饲虎”、向国王“报信”等情节为主线，用连环画的形式，绘制在左右二披之内。右披绘山林间悬崖下蹲伏大小老虎两组，每组7只。其中一组老虎中间三王子的形骸隐约可见，是为舍身饲虎；左披以城廓殿宇为主，间绘人物活动。城廓庄严，殿宇巍峨。城门之外，一边有数人牵马徐步而行，另一边有两人乘马飞奔而来，为二兄回宫报信。城内宫殿外，有国王闻报昏厥在地的情节。以半鸟瞰的透视法，描绘出宏伟壮丽的城廓建筑。该组建筑的形式及结构是研究北朝时期王宫建筑形式的重要实物图像材料。

第26窟窟顶《涅槃经变》图，存正披及左、右披一半。正披为经变的主要画面，绘有三个场景。左侧绘佛在拘尸那迦城附近的娑罗林中为众弟子作最后的说法。右侧绘释迦于娑罗林双树间七宝床上头向右入灭“涅槃”并殓入“金棺”，众弟子或跪或立举哀，一弟子手抚佛双足，是佛“涅槃”后向大弟子摩诃迦叶示现双足的情景，上方六身飞天从天空而降，并绘根据《佛入涅槃密迹金刚力士哀恋经》描述的密迹金刚“譬如岩崩颠堕于地”“举手大叫发声悲哭”。画面右下角绘焚棺荼毗场景。

第27窟顶部正披绘法华变，中间释迦多宝并坐，半结跏趺坐于六角形宝床之上，作说法状，两侧各一弟子侍立，弟子下方各有二菩萨侍立，在右侧菩萨下方，一弟子双手合什站立，此为《见宝塔品》。其正前方绘数身跪坐覆莲台上的人物，似乎表现《从地踊出品》内容。最外侧绘一方城，墙面绘交错长条形琉璃砖。正中绘一方形城门，门两侧各一穿束腰袍、戴冠男子站立，城门上方绘一单层歇山式城楼，其正面并列二门，侧开一门，转角外有角楼，四周有围楼。城内正中绘一歇山式殿堂，四壁各开一门，在城的内侧四周、各有一排歇山式房宇，面向殿堂。城外左侧上方绘四身穿夹领衫的供养人，表现《法华经·化城喻品》的内容。