西秦、北魏、唐代和明代是炳灵寺历史上佛教最为兴盛的四个阶段。
西秦时期的石窟主要有169、192和195窟。西域佛教艺术风格在这一时期的造像上有明显的反映。
北魏时期的石窟主要以126、128、132等窟为代表，充分反映了秀骨清像、褒衣博带的中原佛教艺术风格。
而北周至隋代的造像从北魏细颈细腰、秀骨清像转型演变为形体丰满、挺拔秀美的造型风格。这一时期的造像大多比例匀称，造型丰满，动作舒展，具有纯厚的造型感。隋代的壁画，由于元、明以来密宗画的刷新和重制，保存下来的不多，主要有8窟南北壁的供养菩萨画像，姿态生动，神情各异。
唐代和含吐蕃时期，由于佛教的兴盛，造像风潮再次兴起，炳灵寺石窟的开凿进入第二个主要时期。此时开窟造像之风胜过此前任何一个时代，达到了全盛时期。窟龛中的造像组合，多为一佛、二菩萨或四菩萨、二天王，也有的是一佛、二罗汉、二菩萨。造像都强调健康丰腴的美，比较注重形象动态的节奏，身材与体态都趋于理想化的美感，是人体形象自然美感的典型概括，特别是对人物肌肤的表现，微妙地表现出了内在的生命力，具有强烈的艺术感染效果。其中171龛内的弥勒佛大像龛，依山开凿雕刻，主供坐佛高达27米，原为石胎泥塑，虽泥塑部分早已经毁坏，但仍保存着唐代造像面型丰满、面带微笑，端祥和蔼，比例匀称的特征。同时还有自己的独到之处，如面型较长，动态夸张，起伏处棱角分明，刀法也更显粗犷有力。这样巨大的雕塑，没有高超的艺术技法是很难实现的。
约在元、明之际，藏传佛教传入炳灵寺，时人利用原有洞窟进行了大量的重修重绘，从而留下了在同一洞窟里汉传佛教和藏传佛教两种佛教艺术共存的局面。
第169窟，它是炳灵寺规模最大、时代最早、内容最丰富的洞窟，是炳灵寺石窟的精华所在。它坐落于窟群北端唐代大佛的上方，距地面50多米，原为一个天然石洞。宽26.75米，高15米，深19米。窟内现存佛龛24个。比较有代表性的佛龛为第6、第7龛。第6龛位于窟内北壁，是一个平面半圆形的三瓣莲式的背屏龛。龛内塑一佛二菩萨像，佛像造型生动，表情丰富。前额宽而圆，双眉细而弯，两眼大而长，鼻梁高嘴唇薄，神情庄重，外着半披肩袈裟，结跏跌坐于莲花台上。衣纹线条自然流畅，富于动感。菩萨高发髻，而部表情，与佛像基本相同，披肩长发，佩有铃形耳饰；上身袒露，戴项圈、臂形耳饰；上身袒露，戴项圈、臂钏和手环，下面穿一大裙，左手下垂握巾带，右手亦握巾带于胸前，站在半圆形覆莲台上。佛、菩萨的面部、胸部及四肢部分，涂以白色，眉、眼、耳以墨线勾勒，衣裙施以彩绘。佛与菩萨背、项光也施彩绘。佛的圆形背、项光外围均绘有火焰纹。背光内绘伎乐，左、右各五个，均高髻，上身袒露，下身着裙，双足裸露，分别持箜篌，击腰鼓，奏排箫，姿态各异。佛像左上方墨书题有“无量寿佛”四个字，南侧菩萨右上方墨书“观世音菩萨”，北侧菩萨右上方墨书“得大势至菩萨”。龛内北壁大势至菩萨上方彩绘十方佛，上、下两排，均高肉髻、圆脸，着通肩大衣、禅定印、结跏趺坐。佛的面部涂白色，眉、眼、鼻、嘴均以墨线勾勒。
第126窟。开凿于北魏。平面方形、低坛基、穹窿顶窟。高3米、深2.9米。龛内正壁雕并坐二佛及二菩萨。佛均半结跏跌坐于方座上，通高2.04米。佛座下北侧一长方形龛内雕有一供养弟子。北壁雕一交脚菩萨及二菩萨，交脚菩萨坐在方座上。台座下雕二只狮子。此窟除二壁雕有菩萨等佛像外，各壁从顶部到底部几乎布满了浮雕。全窟共有雕像112尊，为炳灵寺北魏石窟中造像最多的洞窟。同时，此窟造像具有典型的“秀骨清像”风格，雕造精湛，并有延昌二年（公元513年）造窟题记，是具有代表性的北魏洞窟。
第6窟。创建于北周，是炳灵寺石窟这一时期的代表性洞窟。平面长方形、低坛基、平顶窟，高2米，深1.9米。南北两壁雕菩萨立像各一尊，均戴宝冠，前胸敞开，披巾于腹前交叉下垂，着长裙，手执净瓶、念珠等法物。壁上绘有宝树、千佛。宝树上下连续，形成竖格，千佛在两树之间，如同在广阔茂密的树林中静坐修行。南壁下方画着山岩之间的一株大树上，有猿猴攀援、鸟雀停伫，讲述的是著名的“猴王本生”故事。一群猴子在国王园中觅食，国王命人围捕，猴王带着群猴逃离。路上遇到一深涧，群猴不能跃过。于是国王以自己的身体为悬桥，使群猴得以安全逃走。待追猎者赶到时，只见二只喜鹊憩息在树枝上，并无扰动，猎者就转到另处追寻。像这样完整的壁画，在全国其它同一时期的洞窟中并不多见，因而显得十分珍贵。
第3窟。始建于唐代，明代重绘。平面方形、平顶窟，高3.5米、深3.1米。此窟的重要价值在于窟内正中凿一四坡顶方塔。塔高2.23米、塔基宽1.40米，塔为单层、方形盝顶。塔座四沿遗留有孔眼，可知座上曾有勾栏。座正面设弧形踏道。塔身为仿木构建筑，四面各分三间，正面中间开一门，门内塔室中空，可能原来曾有造像，从塔身比例及造型推测，此塔是对于殿堂内佛帐的模仿。盝顶中心为叠涩须弥座的刹座和山花蕉叶及覆钵。此塔整体及细部均具有初、盛唐的风格，是研究唐代建筑和佛教石窟形制的重要实物资料。另外，塔顶正中有印度佛塔中常见的覆钵形。这种把印度塔建筑中的某些特点，巧妙地融会在中国民族建筑形式，在全国其它石窟中，也是独一无二的。炳灵寺石窟现为全国重点文物保护单位，它同中国其它几个著名的石窟寺相比，有其自己的特点：第一，这里的石雕、浮雕佛塔很多，这在其它石窟中是少见的；第二，洞窟门顶上方里面再开洞窟，雕或塑有卧佛，这在其它石窟中也是没有的；第三是密宗壁画较多。这与元代藏传佛教兴盛有关。正因如此，著名历史学家范文澜在他所著的《中国通史》中，认为炳灵寺和敦煌莫高窟、天水麦积山并驾齐驱，有着同样重要的历史价值和艺术价值。
弥勒大佛炳灵寺唐代大佛是炳灵寺众多造像中，最具气魄和最能反映唐代经济实力的，高27米的一尊弥勒坐像。大佛于唐开元十九年（731年）前后雕凿而成，造像是由石雕和泥塑两部分组成，在中国是特有的一尊。建造时，大佛前还有大型宏伟的木梯建筑，九层楼阁修到大佛顶部，大佛就在室内。清同治十三年（1874年）毁于战乱，大佛便成为今天这样露天面对着风霜雨雪了。时光流逝，大佛泥塑部分已有毁坏，虽不能看到它完美的体貌，但他仍保存着唐代造像面型丰满，比例匀称的特征。面容丰润，表情安详，神态肃穆，顶结螺旋纹的肉髻，颈有三道纹，着搭双肩的袈裟，善跏跌坐于吉祥座上，右手抚膝，左手置于腹前作说法印，在慈祥的气度中渗透着佛性的威严。
参观炳灵寺必须乘坐游船经过刘家峡水库，通常在旅游旺季坐满人才开，往返需要7、8小时；坐快艇往返只需3小时。
兰州人好食，尤其偏爱酸辣食品，对川味菜肴和火锅更是情有独钟。市内各大名菜佳肴和民族风味餐饮一应俱全，景扬楼、悦宾楼、峨嵋川菜馆和徽菜馆，是当地最有名的四大店，这里的烤小猪、千层牛肉饼等味美价廉。兰州还有许多小吃街，如农民巷、和政路、建兰路等，营业时间一般从早晨可持续到子夜，有些摊点更是昼夜都营业。
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历史上，关于炳灵寺的记述，曾见于北魏人郦道元《水经注》卷二“河水”条，《水经注》中记曰：“河峡崖傍有二窟。一曰唐述窟，高四十五丈。西二里，有时亮窟，高百丈、广二十丈、深三十丈，藏古书五笥。”从记载中可见，这里风光清丽，千峰竞秀，崖如刀劈，极适宜寺窟寺院的建造。
西汉前此地域为羌人聚居地，据考证，北魏前此窟称“唐述窟”。所谓“唐述”，即羌语“鬼窟”之音译。故积石山称为唐述山，河水亦称唐述水，表明它曾是羌族势力统辖的地区，也可见此地在古人眼中是神秘莫测的地方。同时，此地又是“丝绸之路”陇西段的交通要道，它是取道青海到达流沙，中亚西域通往西亚的必经之地。故有“丝绸之路”右南线“临津古渡”之称。西秦乞伏氏曾花费三年功夫在附近黄河上架桥，号称“桥高五十丈”，所以西秦曾选此地为国都。
相传，晋代名僧法显当年就是从这里渡黄河赴印度取经，并留有他的题记。西秦氏信佛法，并聘中原和西域著名高僧昙摩毗、玄高等为护国大禅师。昙弘、玄绍诸僧也到过西秦。高僧玄绍就在炳灵寺“蝉蜕而逝”。由此可知，当时的西秦已有“凿仙窟以居禅”的风气。至唐代，唐述山已成为佛教丛林，改称灵岩寺，强胜的吐蕃王朝政权也一度占领此地。到宋代，笃信佛教的吐蕃赞普王朗达玛第五世孙确斯罗于1032年建立了以青唐（今西宁）为中心的确斯罗藏族政权，占有整个河州地区，炳灵寺也随之为其所有，唐之灵岩寺才改称为藏语音译的炳灵寺，方沿用至今。
据释道世《法苑珠林》文献记载，炳灵寺石窟的开凿历史可上溯到“晋泰始年”，即公元265年。在炳灵寺众多的洞窟中，历史最为久远的，最重要和最有价值的是坐西面东的169号窟。1962年在窟中的第6龛发现有西秦“建弘元年（公元420年）岁在玄枵三月二十四日造”的墨书题记，此外，还在僧人供养像中发现有“大禅师昙摩毗之像”的题记。在第3龛存有“大代延昌四年（公元515年）”的墨书题记等。169窟的题记是迄今为止中国现存石窟中有明确纪年的最早造像题记。比敦煌莫高窟发现的最早题记还要早整整100多年。169窟题记的发现对研究炳灵寺石窟的建造年代提供了可靠的依据，同时，对全国其它石窟的断代研究也具有重要的参考价值。此后，炳灵寺石窟又历经北魏、北周、隋、唐、五代、宋、元、明等各朝代的不断开凿、营建、修葺、扩建，其间包括吐蕃王朝时期、确斯罗藏族政权时期及其后藏传佛教的长期经营，规模逐渐扩大，形成了仅次于敦煌石窟寺的具有藏汉两种风格的著名石窟寺。
公元676年，称雄青藏高原及中亚的吐蕃王朝藏族政权在中国西部诸民族中已形成自汉、魏以来最强大的军事帝国。吐蕃王朝疆域的不断扩大，藏传佛教文化向东发展影响也广泛深入。公元763年，吐蕃占领陇右这一地区后，此地除有吐蕃军人驻扎外，还有大批吐蕃移民北上东迁，在炳灵寺石窟建造了无数雕像和壁画，并对佛窟进行了重修和重绘，藏传佛教文化开始直接对这些地区产生着影响。尤其是在藏传佛教后宏期的元代萨迦时期，由于元世祖忽必烈尊藏传佛教为国教，得势的萨迦教派僧人入驻炳灵寺，将炳灵寺前代洞窟内的壁画进行了大量的重绘，佛教造像艺术在炳灵寺得到兴盛发展。其后随着元朝的衰落，萨迦派在西藏的地位由噶举派取而代之，从而使噶举派在炳灵寺也有一定的传播和影响，炳灵寺地处偏僻深幽的洞沟内开凿的石窟大多是噶举派僧人所建，其风格显得格外幽深神秘。其间也有藏传佛教噶当派僧人入驻炳灵寺弘法传教，开窟造像。
从明永乐年间兴起的格鲁派是对炳灵寺影响最大的教派，被永乐皇帝封为“大慈法王”的宗喀巴第四大弟子绛钦却杰代表宗喀巴进京朝觐时，曾两次路过炳灵寺宣讲佛法教义。其后格鲁派在寺院内相继进行了一系列的弘法活动，对炳灵寺的寺院建筑、洞窟、壁画等连续两次进行了重修、重绘，在炳灵寺重绘的窟龛中，格鲁派壁画占了百分之八十以上。并且，还重新开建了一些新的洞窟，从而形成了炳灵寺石窟汉藏佛教并存的独特风貌。
清顺治2年，炳灵寺还确立了藏传佛教活佛转世体系，这时寺内佛殿经堂密布，僧舍遍沟，僧人巨增，盛况空前。并形成了上下寺之分，有上一千，下八百僧众之说，隶属于炳灵寺的中小属寺遍及甘、青、内蒙等地共60余座。这一时期石窟寺内历史上遗留下来的佛教造像雕塑、壁画等艺术珍品都得到了良好的保护并有所增加，同时，寺殿内供朝拜的各类铜质佛造像、彩绘泥塑像、木刻雕版造像、壁画、唐卡等藏传佛教艺术也得到长足发展，据传仅唐卡就珍藏有上万件，三世达赖喇嘛索南嘉措、拉卜楞寺嘉木祥三世活佛都曾专程来炳灵寺朝拜。
炳灵寺石窟的石刻造像，时代不同，风格各异。不论是西秦的骠悍雄健还是北魏的秀骨清像，不论是北周的珠圆玉润还是隋唐的丰满夸张，或是宋代的求变写实，都采用了以形写神，形神兼备，重在写神的传统技艺，它们是佛教观念、信仰、情绪的物化艺术形式。其造型和雕饰，既笼罩着神奇的宗教气氛，又极富有现实的生活情趣。造像的主题是佛陀，庄严肃穆，详和可亲，菩萨含情脉脉，婷婷玉立；弟子幼稚天真，深沉世故；天王勇猛暴烈，怒目而视，无不塑造的栩栩如生，细致入微。
炳灵寺壁画，保存到现虽然数量不多，却反映了十六国时期西北地区人民的社会风貌、音乐舞蹈以及装饰艺术。这是炳灵寺壁画重要价值之所在。在169窟西秦建弘元年的壁画中，可以看到与东晋画家顾恺之《女史箴图》中妇女形象极为相似的女供养人。壁画用遒劲的线条表现了云鬟叉髻、帔巾飘带、盛装打扮的妇女形象。隋、唐的壁画，由于元、明以来密宗画的刷新重制，保存不多。隋代壁画主要是8窟南北壁供养菩萨画像，姿态生动，神情各异。元、明两代的壁画较有特色的有3窟西壁上层元代佛教故事画，南壁元代八臂观音和168窟南壁明代八臂观音，以及172窟木阁上的明代木版画涅槃。这些以密宗为内容的壁画，其绘画技法仍然继承了唐宋传统。
