公元1224年，成吉思汗結束西征，回軍漠北，對西夏西部重鎮沙州，進行了一次試探性軍事進攻，逾月不下，遂退，城雖未破，但給老百姓造成了十分沉重的創傷，軍民睏乏，牲畜殆盡。1226年春，蒙將速不臺率軍越過大漠，收降沙州西邊的撒裡畏吾部，東進劍指沙州，終克沙州 ，至此沙州屬蒙元王朝管轄，是元室宗親朮赤的兒子跋都大王的封地

元世祖忽必烈

元世祖至元十四年(1277年)復立沙州，後升沙州為路，瓜州也隸沙州路轄，元政府在瓜沙二州沿疏勒河，黨河屯兵積糧，曾一度上交屯糧22000餘石，可見當時屯墾之盛，至元二十九年(1292年)後因西南少數民族向內地騷擾瓜，沙兩州一度很不平靜，元政府當時採取將瓜沙居民東遷甘，肅二州，瓜，沙二州一度荒蕪，直到元成宗大德七年(1303年)瓜，沙二州復墾，設為軍屯區。元政府十分重視西北交通和敦煌這個戰略重鎮，在瓜沙二州設屯儲總管府，莫高窟現存有:漢，蒙，藏，梵，西夏，回鶻六種文字刻的《莫高窟碑》是當時治鎮沙州的西寧王速來蠻於至正八年(1438年)刻立的。元蒙時期沙州除了漢人蒙古人外，還有許多回鶻人從事農商，西方波斯，大食，印度等國的使節，僧侶，商團，取道敦煌而到內地，進行貿易和文化交流，瓜，沙二州又出現了文化經濟的一個繁榮時期。至元十一年(1274年)著名旅行家義大利人馬可·波羅就是沿絲綢之路到達敦煌，在其遊記中有詳記。

莫高窟現存元代新開或重修洞窟有20多個，儲存有許多藝術珍品如3窟的千眼千手觀音菩薩。

465窟的照鏡，畫符，群眾聽法圖都堪稱佛教藝術的佳作，和前代相比毫不遜色，都是元代敦煌文化藝術發展的標誌。