莫高窟地處戈壁沙漠腹地，空氣乾燥，雨量稀少，溫度變化劇烈，是典型的大陸性氣候。莫高窟地區多年平均降水量為23.2mm，而年蒸發量卻高達4200mm。窟外極端最高氣溫為43.6℃ （1952年7月16日），極端最低溫-28.5 ℃（1979年1月15日），平均氣溫10℃左右。但洞窟內的氣象環境卻表現出完全不同的特點：溫度、濕度具有相當的穩定性。據對第335窟中型唐代洞窟的監測調查，窟內全年溫度變化在5-20℃之間，年平均溫度為12℃；全年相對濕度變化在6-40%之間，年平均相對濕度為18.3%。

客觀而言，壁畫和彩塑顏料層所施的天然礦物顏料本身比較穩定，在莫高窟內這種乾燥和穩定的環境裡，一般不易發生化學變化，不易變色和褪色，因此使一些壁畫千百年來一直保持鮮豔的色彩。地仗層含有的麥草、麻、棉花、笈笈草、蘆葦等材料在乾燥的氣候條件下，不易霉變、腐爛，隨之使地仗層在穩定的小氣候環境裡的物理應力比較小，不易脫落，保持了壁畫和彩塑的牢固性。總之，氣候乾燥和小氣候環境的相對穩定，使得許多洞窟的壁畫和彩塑能比較好地得以存。這種干燥的氣候和洞窟內穩定的小氣候環境，給壁畫和彩塑的保存提供了良好的自然條件。

儘管莫高窟大環境有利於洞窟壁畫的保存，然而，環境的各項因素在不同的程度上影響著洞窟保護的有效性。從崖面的變遷和底層、上層洞窟壁畫地仗發生酥鹼、皰疹等病害來看，暴雨或集中式降雨仍時有發生，由此引發的山洪時常襲擊莫高窟。頂層第194窟、第3窟、底層53窟、85窟等均有地仗層酥鹼或皰疹狀等病害。頂層洞窟的水分來源主要是集中式降雨，雨水沿崖體裂隙滲入洞內。隨著強烈的蒸發使得崖體中的鹽分隨著水分的運移而移至地仗層，造成地仗酥鹼。由此可見，洞窟病害與環境是直接相關的，深入了解洞窟環境對洞窟保護意義重大。

近十年，敦煌研究院致力對莫高窟崖體岩石和地表水的化學成分進行分析；對崖體地層形成的構造特徵及其形成的病害作了調查；對彩塑和壁畫的製作材料、結構、性能做出分析和評估；設置全自動氣象站監測溫度、濕度、風向、風速、光照等窟區氣象要素；并選擇不同類型的洞窟，進行洞窟小環境的監測。