楼兰故城遗址由古城、建筑基址、墓葬和古代沟渠、田园等组成，以古城为最重要。在大约东西长120公里、南北宽100里的范围内已发现古城20余座，由发现人以字母编号，自到，其中一座编号即楼兰故城。古楼兰地区诸古城多为方或长方形，即具有东方古城形态。

楼兰故城遗址呈不规则方形。城中有一条西北至东南的古水道斜贯，古水道东北是佛寺区，南岸为官府区，西部是贵族居住区，西南为平民居住区。建筑多用土坯或木材建造，因此遗址上残存很多建筑木材堆积。佛寺区残存一座佛塔，官府区有许多土还建造的大型建筑，以“三间房”最有名。贵族居住区房屋建筑密集，木材堆积极多。故城郊外也有佛寺、佛塔和烽火台的遗址。

楼兰故城东城墙长约333米、南城墙为329米、西面和北面均为327米，城墙为夯筑。四面都有土墙残存，厚2~8米，残高3~4米。四面中部开门，都有瓮城。

八面九层圆顶，残高10.4米，用土坯建造。城内最高的建筑物是位于城东部的一座高10.4米的佛塔，塔身用土坯加木料垒砌而成。塔基为方形，每边长约19.5米。

楼兰城址中出土过多种文物，有汉五铢钱、贵霜王国钱币、唐代钱币，汉文和佉卢文残简，丝、毛织品残片，漆器、木器、玉器、铜器、料珠、金银戒指、耳环以及玻璃器皿碎片等。

2015年，“张帀千人丞印”字样的铜制官印在楼兰故城遗址出土。

楼兰故城的建筑既具有典型的汉文化特色，也具有突出的本土文化内容，同时它还蕴涵着大量珍贵文物，诸如西亚艺术风格的绘画、雕塑，佉卢文木牍及其封泥上的希腊神像、贵霜钱币、佛寺中的有翼天使像、波斯风格的玻璃器残片等，这些文物为中亚古代文明研究提供了详实资料，遗址还出土了汉五铢钱、唐代钱币，汉文残简，丝、毛织品残片，漆器、木器、玉器、铜器、料珠、金银戒指、耳环等。这些文物承载着丰富的政治、经济、文化信息，对研究中西交通、东西文化交流和我国古代边疆与内地的联系—中国古代边政史研究等历史问题，均有着重要价值。

1962年，楼兰故城遗址被新疆维吾尔自治区人民政府公布为自治区级文物保护单位。

1988年1月13日，楼兰故城遗址被中华人民共和国国务院公布为第三批全国重点文物保护单位。

2013年3月，若羌县文化体育广播影视局投资500万元人民币建设的楼兰故城遗址保护性基础设施投入使用，工程建筑面积为3990.35平方米，包括790平方米管理用房、2400平方米步道、1600米围墙、800平方米停车场，和35米高的钢架瞭望塔及其供排水、采暖、电气等配套基础设施；同年10月11日，新疆楼兰文物保护站更名为楼兰工作站。

张骞通西域后（2世纪），楼兰成为东西方交通的重要孔道，是整个西域的“东大门”，迎来送往着东西方的商旅。魏晋之世，西域长史驻楼兰城，屯田戊变，维护西域的稳定和丝路的交通安全，使之成为西域政治、军事、经济、文化中心。古丝绸之路南、北两道早些时候就从楼兰分道。楼兰城作为亚洲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。汉朝、匈奴和周围一些游牧民族国家经常为争夺楼兰进行大规模战争。

楼兰作为西域三十六国之一，与敦煌邻接，与汉朝关系密切。《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。”

4世纪期间，全球气候出现变冷的波动，导致塔里木河来水的波动和河道的变化，给古楼兰带来生态灾难，出现灌溉用水的不足，楼兰绿洲和楼兰故城缺少天然植被的保护，土地逐渐沙漠化。最后，楼兰故城悄然退出历史舞台，唐代李白《塞下曲》：“愿将腰下剑，直为斩楼兰。”

楼兰故城遗址位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州若羌县境内罗布泊的西北角，孔雀河故道南岸16千米，东距罗布泊北岸28千米处，东经89°55′22″，北纬40°29′55″，整个遗址散布在罗布泊西岸的雅丹地形之中。

巴音郭楞蒙古自治州——G3012吐伊高速——G3012吐和高速——301省道——G30连霍高速——486村道——328省道——235省道——楼兰故城遗址。