石窟大约开凿于四世纪。当佛教从印度和键陀罗等地传入龟兹后，龟兹的人民在本民族传统的基础上，吸收了外来艺术的有益成分，创造出了具有时代特点和民族风格的艺术形式。洞窟的早期壁画属于南北朝时代，而唐代的壁画内容则以经变故事为主，与敦煌莫高窟的十分相似。晚唐的壁画间常有汉文和回鹘文的榜题。第46窟夹子本生图，采用较粗的线条勾勒轮廓，内部以赭石平涂，极富立体感。龟兹画家还从自己的生活实践出发，让佛和菩萨披上龟兹的服装，被称为“双领下垂”式的大衣。在绘画的技法上，“用笔劲紧，如屈铁盘丝”。第32窟残存“涅盘变”中的举哀菩萨，线条圆润，流畅柔和，是“屈铁盘丝”式线条的代表之作。
山崖由砾石和砂土沉积而成，结构松散。窟群依地势分布在间隔3公里的谷口和大沟两区，按1984年库车市文物管理 所的分区编号，南部的谷口区有32个洞窟，分布在河东岸和几条山谷内，保存较完整的不足10窟。北部窟群分布在木札提河一条支流的附近，洞窟较密集，有80个，保存较完整的不过半数。库木吐喇石窟中，寺院佛堂占比例最大，讲堂和僧房占比例甚小，高僧骨灰堂比较多，并有明显的大小尊卑之分。
石窟始凿及沿凿年代，无确切记载，据现状考察应属 3个不同时期的文化系统：5～8世纪中叶为龟兹系列；7～9世纪是中原汉系洞窟；约9世纪中晚期至10世纪或更晚为回鹘系洞窟（石窟中出现回鹘僧人和回鹘装束的世俗供养人像）。该石窟群明显地反映了不同文化系统共存及其互相影响互相取代的迹象，对研究新疆地区宗教艺术的演变、发展和衰落有重要的价值。
18世纪30年代清人谢济世《戎幕随笔》记载了当时库木吐喇石窟的情况。19世纪初，徐松《西域水道记》中也有记载。20世纪初，日、德、俄、法等国探险家在新疆活动时曾染指库木吐喇石窟，清理、挖掘和切割盗走了不少珍贵文物。
1949年前后，中国学者曾先后到这里作过调查，但尚未展开全面的考察和研究。中华人民共和国建立后，库木吐喇石窟归库车市文物管理所管理，1984年归入龟兹石窟研究所。1961年中华人民共和国国务院公布为全国重点文物保护单位。
库木吐喇石窟的唐代壁画在内容和画风上都和中原艺术比较接近，既有中国画那种丰富多变的线条，又有凹凸不平的晕染法，并使二者有机地结合在一起，形成了独具一格的龟兹画风。这里出现了“西方净土”、“东方药师”、“法华”、“弥勒”等大型的经变故事画，画家以其丰富的想像力，把现实主义和浪漫主义地融合在一起。在创作的方法上，他们把佛和菩萨都画得雍容端庄，温柔安详，充满着世间的人情味。第16窟的“东方药师”经变画中的飞天，披带花冠彩带，成对地在空中迎风飘舞，凌空飘逸，婀娜多姿，表现了对未来生活的向往和渴望。而在第36窟的举哀菩萨画中，同一幅画，有的地方线条劲紧圆润，有的粗细相间，再稍施晕染，显得身姿挺秀，情态高雅。这些瑰丽的艺术珍宝，是古代龟兹人民智慧和艺术的结晶，它也为研究新疆的经济、文字、建筑、舞蹈、眼饰和工艺美术的发展史提供了弥足珍贵的形象材料，具有十分重要的研究价值。
库木吐喇石窟早期洞窟形制与克孜尔千佛洞大致相同，主要是中心柱窟与方形窟两种。中心柱窟佛堂平面呈长方形，主室窟顶多为纵券形。正壁中央凿一大龛，左右侧为券形通道口，经行道通入后室或后行道。有的方柱体各壁凿一龛。壁画题材多同于克孜尔石窟，即主室券顶中脊绘天象图，券顶侧壁绘菱形山峦为背景的佛本生故事或因缘故事。主室两侧壁主要绘因缘佛传，行道后绘以涅盘为中心的佛传内容。方形窟佛堂平面作正方形或长方形，有的在后部中央设佛坛，顶为穹窿形。壁画题材，侧壁多为佛传故事，穹窿顶绘条幅状的佛与菩萨相隔的立像。 中期洞窟的形制，主要也是中心柱窟和方形窟，但方形窟顶多作纵券形。这一时期除沿用早期洞窟的题材外，还出现了与中原地区唐窟相似的题材，明显地表现出与龟兹风格迥异、具有鲜明中原地区佛教艺术特征的汉画作风。这一变化表现在：
①大幅经变画的出现。这种反映大乘教经典为主要内容的题材，与原龟兹地区流行的小乘佛教不同。经变画在中心柱窟中占据左右侧壁的显著位置，在方形窟内则主要绘在正壁或左右侧壁，并都有汉文书写的榜题。
②汉式尊像图取代龟兹石窟中常见的舍利塔以及与涅盘相关的佛传故事、龟兹供养人像、立佛像等位置。其构图形式大多是佛像与菩萨相间排列，成组地出现在中心柱窟的左右行道及后行道侧壁上，像侧有汉文榜题。
③千佛题材大量出现，构图简单，色彩雷同，不敷底色，与龟兹石窟的千佛显著不同。
④出现非龟兹装束的汉人供养人像。
⑤出现中原地区汉式装饰纹样。此外，还出现当时中原流行的密宗题材。
晚期洞窟出现回鹘人供养人像，但从中可以明显看出所受中原地区汉文化的影响。北区第79窟用龟兹文、汉文和回鹘文 3种文字共书供养人榜题是前所未见的。回鹘时期的洞窟，是当地汉式洞窟的延续和发展，前后是一脉相承的。但这时期的洞窟规模逐渐变小，已呈现衰退的迹象。大约到了11世纪，基本绝迹。
1965年在石窟附近修建渭干河引水枢纽和电站工程。1970年10月竣工蓄水后，32个洞窟被冲毁，占全部的44%，精华洞窟几乎全部破坏。为了保护洞窟，国家 3次拨款，1978年修成沉籍围堤，但至今窟内漏水，窟外河道泥沙淤积，河水漫涨，仍对石窟构成威胁，尚待解决。
