开凿时间为460—470年，由昙曜主持开凿，故称为昙曜五窟，即现编号的第16—20窟。

　　昙曜五窟特征十分明显，平面为马蹄形，穹窿顶，仿印度草庐形式，一门一窗，外壁满雕千佛，从北魏佛教源流特点来说，主要来源于凉州佛教。造像题材以三世佛（即过去、现在、未来三世）为主要题材。根据主像在石窟中的布局，16—20窟可分为二组。一组是以19窟为中心的18、19、20窟， 19窟是一个中心窟，从它的布局和形制中可以看出，中间是一大像窟，两边各开一耳洞。中间是坐佛，耳洞各一倚坐佛，组成三世佛；另一组是16、17窟，17窟题材也是三世佛，不过是以交脚的未来佛弥勒作为主像，16窟主像是释迦。这两个窟主像总的布局在昙曜时期已经完成，但工程一直沿续到中期。昙曜五窟是为太祖以下五帝而设计开凿的，16窟主像释迦是现在佛，象征当时在位的文成帝，17窟主像是未来佛，应相当于还没有继位就死去的景穆帝，18、19、20应分别为太武帝、明元帝和道武帝而开凿。

　　佛像高大，面相丰圆，鼻高，眉眼细长，主像释迦牟尼蓄八字胡须，这是印度造像的特点。双肩齐挺，身体粗壮，所著服装有两种：一种是袒右肩，一种是通肩衣。比较有特点的是袒右肩式的服装，里边穿内衣，外披袈裟。内衣一般画方格纹，袈裟边缘雕连珠纹和折带纹。菩萨像，一般是圆脸，短身，头戴宝冠（三珠新月冠），宝缯内收，裸上身，胸佩项圈，短璎珞、蛇形饰。下著羊肠大裙，戴臂钏、手镯，这种菩萨装饰是当时印度贵族的装饰。

　　雕刻技法方面，衣纹雕刻比较浅，在凸起的衣纹上刻阴线。雕刻比较细腻、匀称、轻薄、贴体。总之，昙曜五窟有以下几个较为明显的特点：A、草庐式的窟形；B、大像后壁开隧道；C、以三世佛为主要的造像题材；D、肩宽体壮，深目高鼻，短粗身材，八字须，火焰纹的背光，佛光上雕飞天及浅、密、贴体的服装。这些特点都显示出一种挺秀、劲健、浑厚、朴实的作风，既不同于凉州，也不完全同于犍陀罗造像，形成一种新的造像风格。