张大千先生对敦煌莫高窟的保护工作十分重视，并做了一定的工作。1941年的秋天，当时任南京国民政府监察院院长的于右任，奉命西行视察时，专程来到了敦煌。于右任先生是著名的书法家，对艺术颇有研究，对艺术事业十分重视。于先生和张先生在这样一个环境中见面，实在是感慨万千，当时的心情难以言表。当晚张大千先生邀请于右任共度中秋节。席间谈及了莫高窟的价值以及敦煌文物失散严重的情况，并表示要为保护莫高窟多做工作。张大千先生的建议得到了于右任的赞同和支持。在于先生的努力下，终于在1943年3月，正式成立了“国立敦煌艺术研究所筹备委员会”。从此，敦煌莫高窟有了专门的保护研究机构。这其中也有张大千的一份功劳。
“盛名之下，谤亦随之”，大千敦煌之行闻名于世，但大千在敦煌期间发生三件事，对他后来产生意想不到的烦恼，使他背负几十年“毁坏壁画，盗窃文物”的罪名。
第一件事是1941年夏天，大千陪同于右任老先生观摩壁画，行至大千编的20号洞内，见墙上有两面壁画已与墙壁底层泥土分离，表面被烟熏黑，有人为挖损破坏的痕迹，从缝隙中隐约可见里层画像的线条。随行的县府人员，张开欲裂的坏壁，里面露出两幅色彩鲜丽、线条流畅的唐代壁画，为莫高窟中不多见的精品。这两幅壁画就是有名的《晋昌郡太守乐庭环供养像》和《都督夫人太原王氏一心供养像》。大千和在场的随行人员都意识到这是一次重大的发现。它说明莫高窟壁画不止一层。是画下有画。大千看了画后极为兴奋，赞叹不已。并将这两幅画临摹下来(后藏于四川博物馆)。1944年5月在成都出版的《张大千临抚敦煌壁画展览目次》的前言中，大千说明了发现这两幅盛唐供养人像的经过。
第二件事是1941年，大千初到敦煌，在考察莫高窟荒废的北区洞窟时，偶然从沙堆里发现一只风干了的人手臂。这只手臂自肩至手指十分完好，只是颜色枯黄，形似腊肉，也如同化石。手臂下面是一块丝帛，上面记载着手臂主人的生平和砍下这只手臂的原委。手臂主人叫张君义，是晚唐的一位大将，敦煌人。唐宣宗大中年间，曾领导了驱逐吐番守将的战争，遂被封为沙州防御使，又晋升为归义军节度使。张君义战功，不仅没得到皇上奖赏，反而因功受罚。将军气愤不过，亲手在一幅白绢上写出自己的事迹，并用刀砍下自己的左臂，包在绢中，埋入地下。张大千曾将4件文书随身携往日本装裱，并将张君义勋告以外的文物售予日本天理图书馆。1962年中央文化部派人赴香港买回此件，并于1963年8月拨归敦煌研究院收藏。文书内容是唐朝廷为张君义等人因战功受勋而颁发的官方文告，上有同时受勋的263人姓名、籍贯，是研究唐代告身制度的珍贵史料，敦煌文献中仅此一件。
第三件事是大千在敦煌期间，曾以高价收购到两幅隋代的画，为目前世界上所能见到的最古老的两幅画。一幅是《观世音菩萨像》，另一幅是《释迦牟尼像》。由于这两幅画既古老且名贵，所以大千一直把它们视为稀世珍宝，并随时携带在身边。直至大千晚年回台湾定居，在修建“摩耶精舍”过程中；也时时不忘带在身边。大千去世后，这两幅稀世古画，都被捐赠给台湾故宫博物院。
大千无论如何也想不到，这几件事情会给他带来许多意想不到的烦恼，更不会想到会使他背负“毁坏壁画、盗窃文物”的罪名，并由此而带来—桩申诉无门，临死也未见结果的公案。