汉武帝于元狩二年在河西设置了酒泉郡和武威郡。汉元鼎六年（前111年），又将酒泉、武威二郡分别拆置敦煌、张掖两郡。又从令居（今永登）经敦煌直至盐泽（今罗布泊）修筑了长城和烽燧，并设置了阳关、玉门关，保证了丝绸之路的畅通。敦煌成为中西交通的“咽喉锁钥”。当时的敦煌疆域辽阔，统管六县。西至龙勒阳关，东到渊泉（今玉门市以西），北达伊吾（今哈密市），南连西羌（今青海柴达木），被誉为“华戎所交，一都会也”。

    魏晋时期的河西地区先后建立了前凉、后凉、南凉、西凉、北凉等封建政权。前凉张骏时期，曾改敦煌为沙州。公元400年，李暠据敦煌称王，建立西凉国。敦煌有史以来第一次成为国都，以后亡于北凉。凉州成为中国北部的文化中心，敦煌又是凉州文化的中心，名流学者代不乏人。    

    十六国时期，群雄逐鹿中原，河西成为相对稳定的地区。中原硕学宿儒和百姓逃往河西避难，带来先进的文化和生产技术。汉魏传入的佛教在敦煌空前兴盛。敦煌是佛教东传的通道和门户，也是河西地区的佛教中心。有世居敦煌的译经大师竺法护；有前往印度学习佛法的敦煌人宋云等。法显、鸠摩罗什等佛学大师无论东进还是西去都在敦煌留下了他们的足迹。前秦建元二年（366年〕，乐尊和尚在三危山下的大泉河谷首开石窟供佛，莫高窟从此诞生了。 

北魏灭了北凉，统一了北方，占据了河西。这个时期，敦煌比较安定，百姓安居乐业，佛教随之盛行。北魏的人在莫高窟开凿洞窟13个。