人形造像是龟兹壁画的最主要部分，他们充斥于壁画的各种故事和场景中。这其中有佛、菩萨与天人，有护法神与夜叉，王室贵族与比丘，还有平民俗众。这些人物形象各有独特标志，例如头光、身光、形态、衣饰、故事场景，甚至是他们通常所在的特定位置。 释迦牟尼佛无疑是洞窟的中心人物。除了佛龛内主要供奉的塑像，其前世今生的行迹也被反复绘制。其中有表现佛祖前生转世五百五十次遭受磨难、行菩萨道的本生故事；有描绘他从降生到涅槃的平生事迹的佛传故事；也有成道后四方游化、讲经说法的因缘故事。受供养的立佛等尊像画也时有所见。后受中原汉风、大乘佛教的影响，龟兹不再“唯礼释迦”，千佛绘画随之出现。而汉风经变画也占据窟室的主要位置。此外，弥勒菩萨、梵天、帝释等天人、佛众弟子、听法俗众、供养人等等形象，皆伴佛左右。 龟兹壁画中的人物造型精确优美，他们运用了绘画艺术中劲紧连绵的“铁线描”，结合凹凸晕染和平涂等手法，构成了独一无二的“龟兹式”、“西域式”人物形态。这些人物不但体现了龟兹人对于精神世界的构想，也是古代龟兹现实生活的鉴照。

飞天的原型是“乾闼婆”，他原是古印度神话里的美男子，善乐舞，后成为佛教护法天神之一。在我国，飞天的形象最早出现于龟兹的克孜尔石窟，开始多作男像。传入中原之后，才渐渐有了女性飞天。飞天常常出现在洞窟的后室顶部，以礼赞佛陀涅槃，烘托肃穆氛围；或是正壁佛龛的上部和说法图中，表达对佛陀的护卫与供养。龟兹石窟的飞天一般会以乐舞、撒花、合十、献宝镜等形态出现。这其中尤为出彩的是天宫伎乐图。天宫伎乐是佛教“忉利天”和“兜率天”歌舞圣境的表现形式。在天宫背景下，司奏雅乐和曼妙飘舞的飞天烘托出了禅修追想的佛国天界。天宫伎乐不但汇集了歌舞乐人的艺术形象，也是研究古代龟兹乐舞的珍贵资料。通过龟兹石窟的伎乐飞天，现已分辨出的乐器有弹拨乐器、打击乐器、吹奏乐器，总数约达二十四种。这正对应了唐代玄奘法师西行取经途径龟兹时，对它“管弦伎乐，特善诸国”的描述。而《宋朝事实类苑》中有记：“余尝观唐人西域记云：龟兹国王与臣庶知乐者，于大山间听风水之声，均节成音，后番入中国，如伊州、凉州、甘州，皆自龟兹至也。则知霓裳亦来自西域云。”凡此种种史籍之记载不一而足，所以历来都有唐代《霓裳羽衣曲》本是出自龟兹的推断。

菱形格构图是龟兹地区所创造出的一种独特的绘画形式，这种艺术形式在世界佛教石窟中堪称罕见。在龟兹石窟的券形窟顶或甬道顶常常可以看到以中脊为界的左右对称的菱形格构图。菱形构架内填充绘画山峦，完成了一个菱形格就是一座“须弥山”的巧妙布局。如此一来，一个个以山水树木为背景的本生故事和因缘故事就绘于其间。每一个菱形格都以单幅画面叙述了一个本生故事或因缘故事，有多少个菱形格，就有多少个故事。这种菱形组合，原理与蜂窝相似，结构精致紧密，将平面充分利用，完美的将色彩相互交错，犹如孔雀羽翼般伸展，装饰感极强。菱形格的创造，使得龟兹石窟的本生故事图在数量上比敦煌、龙门、云冈三石窟的总和还要多出一倍。据不完全统计，龟兹石窟的本生图，有一百五十多种，其中又以克孜尔石窟为最，涵盖了其中一百三十多种本生故事画。