11世纪初，西北地区的党项族开始兴起，逐步强大。公元1028年取胜甘肃回鹘，继而攻陷瓜州、沙州，称霸河西。于1038年建立了西夏王朝。当时，形成了宋、辽、西夏三足鼎立局面。在西夏统治敦煌的一百多年间，由于重视经济发展，使敦煌保持着汉代以来“民物富庶，与中原不殊”的水平。西夏统治者崇信佛教，不排斥汉文化，在文化艺术方面也有很大的发展。至今，莫高窟和榆林窟保存着大量丰富而独特的西夏佛教艺术。举世闻名的“敦煌遗书”即在西夏统治时期（公元1036年）封藏于莫高窟第17窟内。
宋宁宗开禧二年（公元1206年），元太祖铁木真（成吉思汗）统一漠北各部族，成立了强大的部落联盟。1227年，蒙古大军灭西夏，攻克沙州等地，河西地区归元朝所有。此后，升敦煌为沙州路，隶属甘肃行中书省。后升为沙州总管府。元朝远征西方，必经敦煌。当时瓜、沙二州屯兵济济，营寨栉比，屯垦农兵遍布党河、疏勒河流域。敦煌一度呈现出经济文化繁荣的景象，和西域的贸易更加频繁。著名旅行家意大利人马可波罗就是这一时期途经敦煌漫游到中原各地。元朝统治者也崇信佛教。莫高窟的开造得以延续。现存元代洞窟约10个。自元朝以后，千里河西逐渐失去了昔日的光彩。
