克孜爾千佛洞大約始建於3-4世紀，或者更早一些；盛期在6-7世紀；8世紀末吐蕃佔據龜茲後逐步廢棄，其相繼營造的時間達五六百年之久。
這座千佛洞已編號的有236個窟，目前窟形尚完整的有135個窟。其中有供僧徒禮佛觀像和講經說法用的支提窟，有供僧徒居住和坐禪用的毗訶羅窟。支提窟中有窟室高大，窟門洞開，正壁塑立佛的大像窟；有主室作長方形，內設塔柱的中心柱窟；有窟室為較規則的方形窟。
毗訶羅窟又稱僧房，多為居室加甬道式結構，室內有灶炕等簡單生活設施。這些不同類型和用途的窟，多呈規律地修建在一起，組合成一個個單元。從配列的情況看，每個單元可能就是一座佛寺。這種窟室結構和佈局，在我國石窟建築中較為罕見。
克孜爾千佛洞的塑像和壁畫均繪塑於支提窟內，雖然塑像多已毀壞，但壁畫尚保存約有5000平方公尺，題材主要為佛傳、因緣和本生故事。此外，反映彌勒說法和僧人習禪的題材也有一定的比重。
與其他石窟相比，克孜爾千佛洞可說是我國修建得較早、現存規模較大的一座石窟寺。它的特殊窟形、壁畫題材和藝術風格，深刻地反映了龜茲佛教的情況，代表了龜茲民族的文化藝術水準，是遊覽和研究佛教文化藝術的重要場所。