地质条件对石窟的开凿是一个很重要的因素。四川地区多为红砂岩，戈壁滩的敦煌为烁岩，洛阳龙门为召灰岩，大同云岗为砂岩。这些岩石各有特点，古代匠师针对不同岩石的特点进行不同的加工与处理，把它们开凿出来。石窟的崖面选择更为重要，如云岗的主要石窟占据了好的崖面，窟洞都比较完好，但自从北魏从大同迁都洛阳后，随着政治经济中心的南移，后期开的西部石窟，因财力物力的限制，窟洞规模不大，多接近山石表面，现已大部风化。在莫高窟发展过程中，比较好的崖面，首先被利用。唐宋以后，只好在原崖面上见缝插针或向岩石的深处发展。炳灵寺与麦积山都建在完整的崖石上。四川大足宝顶石窟选在一个山沟里，这里虽然是红砂岩，但有着大面积纯洁而坚硬的崖石，造像雕刻至今保持完好。
在石窟选址中，朝向也普遍受到重视。根据我国的地理气候条件，最好为南向和南偏东，西向和北向容易受到冬季风雨的侵袭，使用与保护都不方便。敦煌莫高窟开凿于前秦建元二年（366年），据唐圣历元年（198年）李怀让《重修莫高窟佛龛碑》记，有沙门乐僧选址在这里，开始修石窟。从现状看，这里大泉河自南向北流去，大河两侧都为连绵起伏的沙丘，东面名三危山，西面名鸣沙山。
莫高窟选择在河西鸣沙山的峭壁上，为大规模的石窟群奠定了座西朝东的基础。大同云岗石窟前临武州川。武州川两岸皆山，云岗石窟选择了东西向河床的北侧山崖上，座北向南。又如洛阳龙门石窟，伊水自南而北流去，两侧有西山和东山对峙。龙门的主要石窟在西山的崖面上，从西朝东。至唐代，西山的主要崖面被石窟占满，才去东山的山坳中开凿。
这些石窟既要远离繁华的城市，又要与城市联系方便，因此往往位于重要的交通线上。如云岗石窟在当时的北魏都城平城（今山西大同）通往故都盛乐的要道上。
敦煌是丝绸之路上的一个重镇。广元的千佛崖位于川陕栈道线上，山前是古代中原通往四川的必经之路。北魏皇家开凿的云岗石窟离平城仅30里，龙门石窟在洛阳南25里。云岗、龙门都是北魏皇家的崇佛圣地，皇室曾多次临幸。
石窟开始时可能是利用天然洞穴再进一步开凿而成的，如炳灵寺169窟就是利用高出地面30米的天然山洞开凿的。从窟壁面上题有“建弘元年（420年）三月二十四日选”的字样，说明早期开凿石窟是在十六国西秦时期。利用天然洞穴开凿石窟最为简便，此后也一直在采用。如在杭州，尚保留有五代、宋元的石窟，也多利用天然洞穴，它与杭州自然山水相融合，形成杭州石窟艺术的一大特色。其他如龙门石窟的古阴洞、火烧洞、莲花洞和老龙洞等都有利用天然洞穴的痕迹。
适合作石窟的天然洞穴不多，所以石窟主要靠人工开凿。悬崖峭壁是开凿石窟最理想的地方。这是因为不仅开凿的石方量少，而且具有形势险要风景秀丽的环境。但天然峭壁不可多得，一般山都有一个自然的坡面，必须先行开山，以建造人为的峭壁，为了减少开山的石方，总是选择陡坡。但即使这样，工程量还是相当大的。洛阳龙门宾阳三洞的开凿是一个典型的例子，大约在北魏宣武帝景明初年（500年）开始在“洛阳伊阙山，为高祖文照皇后营石窟二所”，原来预定“窟顶去地三百一十尺”，可是从景明初到正始二年（505年），花了6年的功夫才“斩山二十三丈”，由于“斩山太高，费功难就”，才改为“去地一百尺，南北一百四十尺”。后来又为世宗造一个石窟，一共3所。从景明初（500年）开始开凿，到正光四年（523年）一共24年，用工802366。这里所说的斩山，就是为建成人工崖面的开山工程。宾阳洞前广场南北宽33米，东西深13米，峭壁高30米。开山的石方量在1万方以上。再如洛阳龙门唐代开凿的奉先寺，还特地选择了一个需要开山较少的微带凹形山坡，可是为凿成东西深41米，南北宽36米，容纳坐像高17．14米的本尊卢舍那佛的石窟，自唐咸亨三年（672年）至上元二年（1675年）花了3年9个月的时间，开山的石方在3万方以上。云岗石窟群东西长达1公里，山前的峭壁全部是开凿出来的，工程之艰巨可以想见。
在峭壁上开凿洞窟与开山工程相比，在技术上要复杂得多。天然岩石是个坚硬的实体，容重大。人在岩石下面施工，既吃力又不安全。因此窟洞的开凿根据传统经验必须遵照自上而下，自外而内的顺序，即在岩石上施工，逐步向内推进。为了确保窟洞的完整，不偏移走样，必须首先在峭壁上放样，开凿洞窟时，从门洞的上部开始，沿门洞引进水平线与另线。进入门洞后，再自上而下大面积开凿，直到要求的水平。
大型石窟由于室内空间高大，一般窟中又有大佛，往往成了一个容有大佛的空井。如北魏早期的云岗昙曜五窟，窟内空间高达20米左右。这类容有大佛的空洞都在窟前的门楣上开有明窗。麦积山的天堂洞，在横向开了3个明窗。莫高窟第96窟上下明窗4层。这说明明窗不但是为了采光、通风，而且是石窟上部施工时最先打进去的缺口，为自上而下施工留下的痕迹。
石窟开凿不仅自上而下，由外及内，而且边开凿边加工。单项窟洞工程，往往在上部有一定空间，当形成一个施工台和施工面时，上部的细部加工就可以与向下的开凿同时进行。一个大型洞窟往往需要经过几年以至几十年的开凿时间，因此，上部与下部的雕刻与处理手法，会反映出不同时代的特征，如龙门的古阳洞，在现在的莲花座以上部分开凿于孝文帝时期，以下的台座，狮子以及壁面上的造像则凿刻于宣武帝、孝明帝时期。这种从上而下的、自外而内的、边开凿边加工的施工方法，既符合石窟开凿与加工的一般规律，又避免为凿石搭大量脚手架，既方便又安全。
崩坍与风化对石窟危害最大。导致崩坍与风化的主要原因是岩性和水。含碳酸钙（CaCO3）的岩洞受水侵蚀能使岩石变成松散的粘土矿物，加速岩石解体，造成窟洞崩坍与风化。因此，必须解决好石窟的排水问题。唐代龙门奉先寺佛龛，曾在峭壁的上方与两侧修筑了一条长120米，宽1～2米，深1～2米的排水沟，把窟顶的水引开，减少水对裂隙渗透，有效地保护了佛龛。乐山大佛在佛头的发髻里筑建了3条排水系统，让雨水从佛背后排掉，不流向面部。
石窟的形式主要可分为平顶小窟、覆框形方窟、覆斗顶方窟、中心柱窟、穹窿顶椭圆窟、崖客以及大型佛龛、摩崖等。
平顶小窟的特征是窟的空间小。敦煌莫高窟的267～271窟是其典型的代表。其中第268窟是主窟，宽仅1．2米，深3．2米，在两侧连267、269、270、271四个龛窟，龛窟仅容一人禅坐，所以是一组以坐禅为主体的窟。
覆框形方窟是一平面方形，四壁有收方的石窟，很像一个倒覆的罗框，顶部也是平面，但面积不大，整个结构与穹窿相近。这种窟型北魏时很普遍。尤其是云岗西部石窟最多。
在著名的敦煌莫高窟中，覆斗顶方窟占绝大多数，其规模可以从10米2～260米2。其特征是在方形平面上加上覆斗形的顶盖。在中央凹进部分塑造成斗四、斗八藻井。平面布置大多为正面开龛，凿造像，也有三面开龛的。
中心柱窟是北魏石窟的一个重要窟型。其特点是在窟洞的中央偏后有一方形石柱，上面与窟顶相连。其中有一种称塔柱，外观似一座楼阁式木塔，以云岗51窟最为完整，莫高窟的中心柱窟，在石柱前留有较大的活动面积，窟顶是模仿木结构建筑的人字坡顶，提高了石柱前空间的高度。
穹窿顶椭圆形窟，在以大佛为主体的窟洞中被普遍采用，其典型例子是云岗16～21窟，即昙曜5窟，窟内大佛高13．5～16．8米，充塞了整个空间。
崖阁以麦积山石窟最为典型。其特点是在佛龛外用柱廓构成宏伟的外观，麦积山石窟上七佛阁由七个方形佛龛组成，佛龛前石柱8根，高8米余，使七个佛龛联成一个壮观的整体。柱下雕刻的莲花柱基础，健劲饱满，柱廓顶部刻有栩栩如生的飞天图案，反映出北周的工程技术与艺术水平。
唐代各主要石窟都出现了大佛，或以大佛为中心的造像组群。是继北魏以后开凿佛像的又一个高潮。特别是唐代采用了露天大佛和佛龛的方式，使大佛突破了窟洞这个框框。大佛前有广场，让人们进行佛事活动，崖面上的大佛则便于远眺。现存大佛如麦积山隋代大佛高约13米，唐代的炳灵寺大佛高27米，龙门奉先寺大佛高17．4米，四川乐山大佛与凌云山的天然崖壁等，高达71米，成为世界上第一大佛。
大足宝顶石窟开凿于南宋。它以佛教故事为题材，出现了类似连环画的大型造像雕刻，是在摩崖造像基础上的一个发展。
在窟洞外加木构窟檐与木构楼阁的，也是普遍现象。木构窟檐、楼阁以及院落，对扩大石窟寺的活动空间起到很大的作用。北魏地理学家郦道元在《水经注·漯水》描写云岗石窟为：“山堂水殿，烟寺相望，林渊锦镜，缀目新眺”。可见早在北魏时期，云岗已建立了石窟与木构殿堂相结合的大型建筑群。据《大唐陇西李府君修功德碑记》记载：“右豁平陆，目极远山，前流长水，波映重阁”。说明在唐代窟前就建有楼阁，至今尚存唐宋窟檐6处，是重要的木构遗存。
对大规模的石窟群，窟洞之间的联系也很重要。在窟前结合开山工程开凿道路，利用踏跺与斜坡联系各窟洞是一般常见的方法。在陡峭的峭壁上则架设栈道。
栈道在我国有着悠久的历史，上至春秋，下至明清，都有栈道。《史记·蔡泽传》记有：“栈道千里，通于蜀汉，使天下皆畏秦”。宋《舆地纪胜·石栏桥》记载四川绵谷县的栈道，桥阁共15360间。
今天在四川、云南、陕西等偏僻山区还有古栈道的遗址和残迹。
在现有石窟中，麦积山石窟栈道最为突出，它是已知规模最大的一处，麦积山石窟崖面长200米，高约100米，栈道最高处距地面70米，上下梯级20段。共计栈道336间，全长800余米。现残存在崖壁上的孔眼10平方厘米以上的近2000个，大部分是栈道挑梁的遗迹，麦积山栈道工程的艰险就可想而知了。
悬挑式是栈道的主要形式之一。其断面、长度以及插入崖面的深度都不尽相同。麦积山崖面上的梁孔断面一般为40×50厘米，深50厘米，在七佛阁下的梁孔断面达60×70厘米，深1．2米，最深的达1．4米。各梁孔之间的水平距离为3～4米。通常在二悬壁之间搁梁，梁上铺木板。
栈道宽一般为1～1．5米，其外侧装置栏杆，它与古代交通栈道以及山区的民居建筑相似。
在数十米高的峭壁上架设栈道是十分艰巨的。据五代《玉堂闲话》记载：“自平地积薪，积至岩巅，从上镌刻其龛室神象。功毕，旋折薪而下，然后梯空架险而上”。在麦积山民间尚流传着：“砍完南山柴，修起麦积崖”、“积木成山，拆木成功”的说法。说明当时石窟施工采用了大规模的脚手架。麦积山连接东西崖面的天桥离地面70米，长50米，在唐代中部崖面崩坍以后建造，全靠脚手架是不可能的。根据传统经验，自下而上修建栈道，需要有攀临的条件，即一般在一个梯段的高度上建一平台，然后以这个平台为基础，再上一个梯段。这样逐层修建到需要的高度。栈道在不同方向延伸也是以平台为起点，采用悬臂出挑的方法，一间复一间地延伸过去。这都属于“缘空蹑虚”
的高空作业，惊险程度是可以想象的。
窟洞与造像的加工，和岩石的性质有密切的关系。在砂岩和石灰岩的岩壁上开凿石窟，由于石质比较均匀、细腻，硬度适中，可以制作出精细的石雕刻，所以造像与壁面的处理，以雕刻为主。像云岗、龙门等石窟，除石雕造像外，壁面雕满了佛像故事与装饰花纹，整个洞窟就成了一个大型的雕刻艺术空间。砾岩由卵石、砾石与砂泥等胶结而成，不利于雕刻。以敦煌莫高窟为代表的砾岩石窟就借助于泥塑，把石窟的开凿与泥塑彩绘结合起来。
在四川大足和洛阳龙门等石窟中，尚保留有没有完成的石雕作品，是研究古代雕刻的极好资料。
石窟壁面的加工比较简单，一般在开凿的基础上，先用大钻子凿整齐、再用小钻子密凿修整，然后锤打和斧崭，使表面平整，因为壁面分为佛龛或雕刻图案，所以在斧崭的基础上，再用钻子凿佛龛或花边。造像首先得在崖面上勾勒出轮廓，然后用大钻子凿出毛坯，再用小钻子进行粗加工，这时粗看上去已能反映出设计意图，然后再用锤子敲去粗加工的痕迹，直至面部等重要部位用斧刃剁，用扁刀铲，用砂石磨光。石窟雕刻艺术中，综合运用了阴浅刻、线浮雕、浮雕、圆雕等各种表现手法，使主题突出，形象生动，收到了很好的效果。