再次進入敦煌之後，張大千就開始了長達3年的臨摹壁畫的工作。其實他為敦煌石窟做編號，也是為觀摩這些壁畫做準備工作，以免臨摹起來雜亂無章。
這次，他除了邀請老友中央大學教授謝稚柳同去敦煌外，還寫信叫來了在北平的學生肖建初。
張大千對大家說：“大家都到齊了。從去年以來，我們主要是為莫高窟編號，考訂壁畫年代，熟悉各洞情況。這次主要任務就是臨摹壁畫。我和你們謝老師商量了一下，看來大家對洞內的情況都已經比較熟悉了，我們現在開始著手臨摹複原工作。”
看到學生們一臉躍躍欲試的神態，張大千又嚴肅地說：“不能高興得太早，熟悉了，不一定把握得住。有的壁畫時代雖近，但造型、設色卻有區別，你們一定要注意。”
說著他帶大家走進151號窟內，指著一幅供養女像說：“就拿這幅畫來說吧，這是一幅晚唐之作，人物體形健美，線條流暢，設色多變，算得上是莫高窟內的極品。但是，她與晉魏的侍女像有什麼區別呢？各個朝代的壁畫又各具什麼特點呢？”
隨後，張大千逐一給學生們詳細講解了各朝各代在作畫時的風格以及技法上的特點。
張大千不僅進行臨摹工作，他還計劃要對壁畫進行複原和補齊殘缺的部分，還要分類比較，確定壁畫創作的年代，考訂各個不同朝代的衣飾習俗、畫派和源流。因此要使大家有所了解。
等到進入洞窟之後，大家才知道這項工作的艱巨性。這裏不是寬敞的畫室，有的洞窟低矮狹窄，要半躺著身子才行；而有的畫是刻在特別高的地方的，要爬上特製的高凳才能看清；有時候，需要拿著手電筒，反複地觀摩許久才能畫上一筆。在空氣窒悶的洞內，待久了會頭昏腦漲；而到外麵透氣，又被耀眼的陽光照得金星亂冒。
他們廢寢忘食，克服重重困難，清晨即起，帶著幹糧入洞工作，直到晚上才拖著疲憊的身子回來，有時甚至晚上還要加班。往床上一躺，頭痛、手痛、腰也痛，再也不想動一下了。
張大千不僅自己要畫，還要管理大家，人家累了就休息了，而他還必須計劃明天的事。後來他回憶說：“朝夕浸沐其中，已至忘我之境，當時也不覺得辛苦，也渾忘了人間時日。”
有一次他問：“今年，今年是什麼年？”
有學生回答：“ 1942年了。”
張大千隻含糊地“哦”了一聲。
為了排解心中的寂寞，他號召大家休息時就讀一讀古人的經典。於是在昏暗的燈光陪伴下，在大西北蕭殺的夜風中，響起了誦讀荀子《勸學》之聲：
君子博學而日參省乎己，則知明而行無過矣。故不登高山，不知天之高也；不臨深溪，不知地之厚也；不聞先王之遺言，不知學問之大也。
3個月過去了，張大千卻還不想結束，他越來越覺得這裏是用之不盡的寶庫。他對那些由線條、色彩和畫麵組成的各種天神、金剛、梵女、菩薩、高僧的形象讚歎不已。他已經臨摹了20多幅唐代壁畫人物，寄回成都辦了一個“西行記遊畫展”。畫展一開幕，就在成都轟動了。
張大千計劃要用更長的時間繼續探討石窟藝術的奧妙，苦苦修煉，以使自己的藝術達到爐火純青的境界。他記起《莊子》中的兩句話：“褚小者不可以懷大，綆短者不可以汲深。”於是下定決心，既來了敦煌，不搞出名堂決不回頭！
夏天炎熱得似火烤，從心裏透不過氣來；冬天漫天黃沙，冰封雪凍。水土不服，生活困難，這些張大千都不怕。有一次他們還險遭土匪搶掠，幸虧躲避及時，才免遭不測。
張大千臨摹之苦也是常人難以想象的。比如他在臨摹第二十號窟的《供養人羅庭環夫婦像》時，因為原畫早已殘缺不全，模糊不清，他不僅要臨摹，還要在畫紙上進行複原，曆時竟達兩個月之久。
張大千除在洞窟裏昏暗的光線下臨摹外，回到住室後還進行背摹，因為他已經對敦煌壁畫到了爛熟於心的境界。
在考察壁畫時，張大千突然發現，在一幅殘破的宋代壁畫下隱藏著唐代壁畫。原來早時的工匠們常常會在以前的壁畫上重繪壁畫。
這一重大發現，震驚了考古界和美術界。
張大千與謝稚柳反複商量後，決定剝掉那層敗壁，重現內層壁畫的舊觀，還原原來壁畫的真麵目。