楼兰古城遗址是1900年瑞典探险家斯文·赫定在罗布泊西部探测时意外发现的。此后，各国探险家争相前往，掠走了一批重要文物。后来，中国考察队到达楼兰古城进行考察，并取得了一定的进展。
楼兰古城平面近正方形，边长在330米左右，面积约10万平方米。城墙由扎成束的芦苇或编织起来的柳条抹上粘土筑成，民居均为木质结构。有古运河从西北至东南斜贯全城。运河东北有一座土丘，原是居民拜佛的佛塔。塔南的土台上，有一组高大的木构建筑，曾出土汉文、 卢文书，以及简牍、五铢钱、丝毛织品、生活用品等。城中心有唯一的土建筑，墙厚1.1米，残高2米，坐北朝南，可能是楼兰古国统治者的住所。
考古学家还发掘出一具已有3380多年的少女干尸，在国内外引起轰动。楼兰历史上是丝绸之路上一个强悍的小国，从公元前176年以前建国，到公元630年消亡，共有800多年的历史。司马迁在《史记》中曾记载：“楼兰，姑师邑有城郭，临盐泽。”这是中国文献上第一次记载楼兰城。李白、王昌龄等诗人也曾写过有关楼兰的诗句，可见，楼兰在唐朝仍是边陲重镇。那么，楼兰城为什么会在历史上销声匿迹呢？
学术界有以下几种观点：
（1）与频繁的战争有关。楼兰城地处交通要冲，战争频繁。公元5世纪后，楼兰国逐渐衰弱，北方强国趁机入侵，楼兰城破被废。
（2）与罗布泊的南北游移有关。天灾人祸，导致罗布泊周边的生态环境恶化，罗布泊成为南北游移的湖泊，从而造成楼兰城水源枯竭，楼兰人不得不弃城出走，楼兰城也随之废弃。《水经注》中曾有敦煌、鄯善、焉耆、龟兹四国士兵引水进入楼兰的记载，可见水是楼兰城的根本和要害。
（3）与丝绸之路北道的开辟有关。经过哈密、吐鲁番的丝绸之路北道开通后，丝绸之路的旧路被废弃，楼兰国变得无足轻重，并逐渐走向衰亡。
（4）与瘟疫疾病有关。一场瘟疫夺去了楼兰城内绝大多数居民的生命，幸存者纷纷奔走他乡。
（5）与生物入侵有关。一种从外地传入的蝼蛄昆虫，成群结队进入楼兰，给楼兰城造成极大的破坏。楼兰人无法消灭它们，只好弃城而去。
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1980年春天，考古学家在挖掘一座古代楼兰人的墓葬时，发现了一具完整的古代楼兰女性的干尸。这位楼兰女性脸面清秀，高鼻梁，双眸深邃，甚至连长长的睫毛都清晰可见，下巴尖翘，具有鲜明的白种人特征，毛发、皮肤、指甲都保存完好。这具女尸头戴尖顶毡帽，帽插数支翎羽，身穿粗质毛织物和羊皮，足蹬粗线缝制的毛皮靴，静静地躺在一座沙质土台中，就好像刚刚睡去一般。据考证，这具女尸已有3380多年的历史，是迄今为止新疆出土古尸中最早的一具。后来，一些艺术家相继为这具女尸制作还原头像，其姣好的面容令世人惊叹。一时间，“楼兰美女”之名响遍世界。