楼兰古城位于罗布泊西北岸、东经89°22′22″北纬40°29′55″。城垣为方形，总面积10．824万平方米，一南一北两条河流绕城而过，城东则是碧波万顷的“盐泽”罗布泊。
楼兰王国位于今天中国新疆巴音郭楞蒙古族自治州若羌县北境，罗布泊以西，孔雀河道南岸7公里处，整个遗址散布在罗布泊西岸的雅丹地形之中。
楼兰王国最早的发现者是瑞典探险家斯文.赫定。1900年3月初，赫定探险队沿着干枯的孔雀河左河床来到罗布荒原，在穿越一处沙漠时才发现他们的铁铲不慎遗失在昨晚的宿营地中。赫定只得让他的助手回去寻找。助手很快找回铁铲甚至还拣回几件木雕残片。赫定见到残片异常激动，决定发掘这废墟。1901年3月，斯文.赫定开始进行挖掘，发现了一座佛塔和三个殿堂以及带有希腊艺术文化的木雕建筑构件、五铢钱、一封（亻去）卢文书信等大批文物。随后他们又在这片废墟东南部发现了许多烽火台一起延续到罗布泊西岸的一座被风沙掩埋的古城，这就是令世人震惊的楼兰古城。
楼兰原是一个随水而居的半耕半牧的小部落。通过发现的楼兰古墓及罗布泊地区发现的大量细石器表明楼兰人本为游牧人，丝绸之路开通后，东西方的商业往来与日俱增，给楼兰经济带来空前的繁荣，域外文明尤其是汉文明传入楼兰才加速了楼兰人发展城市文明。
历史上，楼兰属西域三十六国之一，与敦煌邻接，公元前后与汉朝关系密切。古代楼兰的记载以《汉书•西域传》、法显还有玄奘的记录为基础。《汉书.西域传》记载：“鄯善国，本名楼兰，王治扦泥城，去阳关千六百里，去长安六千一百里。户千五百七十，口四万四千一百。”法显谓：“其地崎岖薄瘠。俗人衣服粗与汉地同，但以毯褐为异。其国王奉法。可有四千余僧，悉小乘学。”玄奘三藏在其旅行末尾作了极其简单的记述：“从此东北行千余里，至纳缚波故国，即楼兰地也。”
楼兰城是楼兰王国前期政治、经济、文化中心，它东通敦煌，西北到焉耆、尉犁，西南到若羌、且末。古代“丝绸之路”的南、北两道从楼兰分道，楼兰城依山傍水，作为亚州腹部的交通枢纽城镇，在东西方文化交流中，曾起过重要作用。早在公元前77年，楼兰地区已是西域农业发达的绿洲，到了唐代，“楼兰”却几乎成了边远的代名词，李白的《塞下曲》中就有“愿将腰下剑，直为暂楼兰”的诗句。曾盛极一时的西域重要城镇，为什么在公元3世纪后迅速地退出历史舞台，这是一个至今还没有真正解开的谜。从楼兰遗址发掘出的文物震惊了世界，其中有珍贵的晋代手抄《战国策》，考古工作者还在楼兰墓葬群中发掘出了一具女性木乃伊，经测定距今已有3000年，干尸衣饰完整，面目清秀，定名为“楼兰美女”，其他文物有做工精细的汉锦，还有汉五铢钱、贵霜王国钱币、唐代钱币、汉文和会卢文残简等。
楼兰古城四周的墙垣，多处已经坍塌，只剩下断断续续墙垣孤伶伶地站立着。城区呈正方形，面积约十万的平方米。楼兰全景旷古凝重，城内破败的建筑遗址了无生机，显得格外苍凉、悲壮。
楼兰城四面环水，仿佛置于粼粼波光里，一条宽而深的运河将城分成两部分，城东北是佛塔、寺院，城西南是官署、居民区。楼兰国前期重要的政治经济中心楼兰城，在丝绸古道上盛极一时。我国历史上古丝绸之路的主要通道“楼兰道”，从敦煌之西的玉门关或阳关，越三陇沙，过阿齐克谷地和白龙堆，经土垠抵楼兰古城，沿孔雀河岸至西域腹地，成为连接内地与西域最便捷的通道。在当时，楼兰是交通咽侯，是塔里木盆地东端的十字路口，从此向西，向南、向北可通向西域全境，形成交通网络。楼兰便成为整个西域的交通枢纽。
楼兰城周围有一些佛塔、烽燧等遗址、遗迹和古墓，出土有汉、唐代古钱币，丝、毛织品残件，漆器、木器、玉器、耳环以及玻璃器皿碎片等珍贵文物。
从敦煌出发经玉门关，沿汉代长城到今日新疆的罗布泊，是丝绸古道上令人憧憬而又神秘莫测的地方，因为这里有一座在沙漠下沉睡了1500多年的古城楼兰。直到1900年，瑞典著名的探险家斯文赫定在罗布泊考察时意外发现，才使这座为黄沙掩埋了15个世纪的古城重见天日，为世人所知。
1894年，斯文赫定第一次来到中国新疆。此后，在长达40年的考古探索中，他曾经数十次叩问了古城、古迹，其中最著名的一次探险就是他在罗布泊地区发现了楼兰古城。
斯文赫定和他的助手们在古城周围进行了考察并在城内进行了7天强盗式的发掘，取得了重要的收获：大量的钱币、器皿、陶器、粮食、36件写有汉字的文书，还有竹简抄本、丝织品和几支毛笔等珍贵文物。出土文书中出现了一个历史学家熟悉的地名——楼兰。一些文书手稿还提供了这个卫戌城市令人感到新奇、亲切的生活画面，发现的木简和文书有丰富的内容，如对逃税者的惩罚、学童们所涂写的九乘九等于几的潦草的笔迹等都有记录。斯文赫定梦想不到的考古发现与中国典籍相吻合，使这个神秘的古城为人所瞩目。
斯文赫定发现的古城和被盗掘出来的文物轰动了考古界和历史学界，接踵而来的是英国人斯坦因、美国人亨臣顿、日本人桔瑞超等。他们从这个“自由天地”掠走了一批又一批重要的文物，给楼兰古城造成严重的破坏。
楼兰城在被发现后的半个世纪中，随着沙漠的变幻，时隐时现，被人们称之为“幽灵城”。20世纪30年代初，中国考古学家黄文弼先生来到罗布泊的北岸，因大水阻挡未能到达楼兰，仅在罗布泊周围进行调查考察，写成了《罗布泊淖尔考察记》。
根据几次对楼兰地区初步的考察和发掘，人们发现楼兰城是一座边长约330米的土城，面积超过10万平方米，城址平面基本呈正方形。楼兰遗址及其周围出土了大量的丝绸、毛、麻、锦、绢等织品，还有渔猎工具、兵器、玉器、木漆容器、日用品和汉晋时各种中外古钱币。
楼兰古城周围还有不少古墓，时间从距今3800年的新石器时代到两汉，由于楼兰地区气候干燥，文物和少数尸体保存至今仍然十分完好。
1980年，考古队在楼兰古城西北和西南，发现了成片干枯的胡杨树林，根据这一发现和以往的考察发掘，人们可以设想出一幅古楼兰兴衰的历史画卷：
在史前时期的新石器时代，一个游牧的部落从中亚越过今天的中苏边境的高山，向东迁徙，他们来到了今天的楼兰地区。在当时，这里气候湿润，植物繁茂，孔雀河与车尔巨河都汇入水量充沛的塔里木河，然后经库鲁克河在这里注入罗布泊。今天干涸了的罗布泊当时却是湖水充沛，水面开阔，岸上栖息着无数野鹅、野鸭、野鸽等水鸟，成群的野骆驼、黄羊居住在罗布泊周围的草原。经过长途跋涉已经疲倦的人们不想再离开这片绿洲了，他们建立了村落，从事畜牧和渔猎生产。这就是最初的楼兰。
到了汉代，楼兰作为交通枢纽，吸收了东西方的文化，很快地繁荣起来，成为丝路上一个具有高度商业文明的古城。
楼兰古城的繁荣，使它的人口迅速增长，人类的各种活动破坏了这里的环境，绿洲逐渐缩小，人们已经感到沙漠的威胁，南北朝时期，由于塔里木河的改道，楼兰人赖以生存的水源断绝了，他们不得不离开这世代居住的地方。随着楼兰城被黄沙掩埋，古城从史籍上消失了。