古代绘制壁画，先要在开凿好的石窟壁上制作地仗，就是壁画的底子。地仗制作是在开凿好的石窟壁面上，先抹一层2-3层厘米厚的黄土加麦草粗泥。粗泥外再抹一两毫米厚的黄土加碎麻调和的细泥，待半干用抹刀压平抹光，使表面平整、细腻光滑，泥完全干透，地仗就完成了。
窟内壁面地仗的制作完成之后，刷上白色的涂层，接下来即进入绘画实施阶段：起稿、着色与勾线。据敦煌研究院马德先生研究，古代画工绘制壁画一般都是由三五人组成一个班子，五代、宋在莫高窟绘制壁画的工匠有师徒之别，高手助手之分。以此推测，早期壁画绘制一个窟应是一个群体作画，其中有师傅高手统一指挥，多人分工动手。
首先要度量定位起稿。洞窟墙面要画的面积很大，不同位置画的内容都有严格的要求，不仅要求美观协调，更要求有章法，在起稿前用几条横长线根据所绘内容把壁画划分为若干栏。说法图一般是壁画的主要内容，主尊画像尺度比例要求严格。先用一条垂直中线画出佛像全身高度，再分出头部、手、脚一直到莲座的具体位置和相应的几个点，这样做一是确定与对面壁上说法图佛像大小比例关系的一致性；一是控制佛像自身的比例关系。研究发现，坐佛一般从发髻到莲座之高是六个头高，立佛从发髻至莲座也是六个头左右，同一窟相对的两个说法图佛像高度相差只在毫厘之间，不同洞窟相同佛像也相差极少。而其他一些次要内容，都是画一个大轮廓，在涂色时进一步塑造。确定了主要内容的位置，画出基本的线条稿或大概的轮廓，下一步就是设色，又称赋彩、敷彩、着色等。也就是往画面上填颜色。
画史记载，历史上一些著名的画家，一般仅作白画于壁，然后由工人弟子专门设色而成，吴道子、周昉、韩干等人的作品都有专门工人调色，同时代的敦煌绘画大概也差不了多少。不同的是敦煌画匠在作白画于墙上时，都是依据画稿进行的，研究者发现，敦煌卷子中保存了100多件粉本画稿，而壁画很可能是由师父根据画稿起稿于壁，确定颜色写上色标，再由弟子工匠涂色完成。据记载敦煌壁画中发现各取字形中的局部为代号的布色符号有“夕”（绿）、‘工’（红）等。还有研究者在莫高窟隋代塑像的头部和上身部位，发现画面颜色变色现出底层写有“紫”、“青”、“绿”、“朱”等字，显然是填色的标记，而且在俄藏敦煌艺术品绢本着色千手千眼观音经变残片、布画菩萨像、纸本画坛城曼荼罗设计稿长卷上，也发现有颜色的标示。
有了色标的提示，调色工作就显得简单多了，实际上在大量的敦煌绘画中，并不标示色标，而是直接上色，这主要是画工画匠们技法熟练，加上大部分人物尊像画和相应画面相同或相似，画工们对所要描绘的对象早已烂熟于心，无须色标提示，仍可熟练完成画作。
从壁画现状观察，人物肤色至少有肉白色（多变为褐灰）、纯白、淡赭、青绿、金色五种。涂肤色是先做平涂，再以同种色深色作晕染。早期特别是北凉到北魏前半期的人物底稿形象大都简略，涂肤色的过程也是继续造型的过程，所以涂肤色需要细致从事，应该都是师傅高手的活计。肤色只涂染裸露的部分，如佛、菩萨的足部只画到踝骨（脚脖子）部位，腿、臀部或腹部，被衣裙遮盖的部分是不画的。肤色平涂好后，即施行晕染。
早期壁画人物晕染基本是西域法，在敦煌石窟流行了250多年。西域晕染法是在人体肉白色的地色上，用浅朱红色粗笔沿人物头面，身体四肢外形勾画出粗壮的轮廓“线”与肉白底色相交融合，使两色之间形成一个过渡色（渐变），产生一种立体感。面部同样用粗“线”沿眼眶上下画一圆圈，粗线一端沿鼻两侧顺势而下，分绕至颧骨下部再折转直下，则与嘴角相接，加强立体效果。随着绘画的发展，晕染方法在不断变化，最早的北京人物肌肤晕染特别强调五官、胸、腹、肢各部形体的关系，但是那些粗壮的深色晕染“线”，并不去十分仔细地把它完全晕开，致使每个部位都成为一个个圆环状，头是一个大圆环，眼部是两个小圆环，胸是两个圆环，腹是一个圆环，四肢各是两节长桶圆，手掌足背也成一个圆。到北魏时人体晕染技法有新的进步。晕染色粗笔不再是简单地把开关各异大小不同的圆形组构人体，而是顺着人体骨骼肌理落笔去画，如面部额头、腮、颊、下颌、眼眶上下都是各自分开，依肌理结构画出粗壮的深色“线”，仔细晕染开，其他部位也是这样仔细晕染，使之达到肤色柔和，肌体丰满并有立体感效果。
中国传统的色晕法，方法简单，与印度凹凸相反，只在面部两颊及上眼睑渲染一团红色，既表现红润色泽，又有一定的立体感。这种方法起自战国，西汉已很成熟。
北魏末年到西魏中原晕染方法传入，西域晕染方法逐渐简化、异化。到北周时，在中原晕染法影响下，演变为额头一笔，上眼眶一笔，下颌骨到腮部一笔，两颊各涂一圆团，净白色肤色人物面部两颊各染一团“胭脂”，用笔不经意时，有的染成像“桃”形，有的像个大“逗号”。有的也模仿西域晕染法，在额头、下巴处抹一笔，但有的完全素面不晕染。
古代画家对于佛教绘画不但要求形象上有主客之分，在颜色上也要分别主次。敦煌壁画中是大量使用赭色系列颜料，其中深褐色起到壁画色彩的骨架作用，较浅的赭石、土红等起到中间色的作用。早期壁画使用的颜色有土红、朱砂、铅丹（丹红、朱丹）、赭石、石青、石绿、铅白、白（白垩、高岭土、石膏）、黑、黄等矿物色，另用一些植物色做辅色。
唐代壁画大部分是用石绿、赭石、褐色、黄色、白色（蛤粉）、朱砂及少量石青等组成，形成一种比较和谐的暖色调，也形成了敦煌唐代壁画色彩的艺术风格和样式。这是当时中原地区审美取向的影响，也是颜料的限制。当时蓝色矿石来自现在的阿富法汗，称“回青”或“群青”，由于价格很高，所以只能很珍贵地用于佛头，故称“佛头青”。我们现在所看到的唐代壁画上的蓝色颜料基本上都是国产的蓝铜矿所制，称“石青”，其色相偏灰蓝色。这种灰蓝色在壁画上不会对暖色系列形成强烈对比，进而形成唐代壁画和谐的色彩效果。
颜色全部填上，还要做最后一道工序就是描线成形。从起稿到涂染颜色，人物大体形象已经具备，但还没有完全定型，最后用墨线沿着人物面部晕染过的部位勾描出脸庞轮廓、五官及四肢、手足指节、衣裙，这样才算完成了人物的整体造型，接着再用浓墨线重描一次眉毛、上眼皮、点眼仁、合嘴线，人物神韵顿时显现。有的定型线特别是在眉、眼、嘴部加描浓墨线条，其实就是“提神线”。这一道工序完成之后，壁画的绘制工作也就全部完成了。
