楼兰古城遗址是全国重点丈物保护单位，位于东径89°55′22〃，北纬40°29′55〃〃，若羌县境内罗布泊以西，北距孔雀河故道南岸16公里，东距罗布泊北岸28公里处，整个遗址散布在罗布泊西岸的雅丹地形之中。
楼兰佛塔和“三间房”成为楼兰遗址的标志，古城遗址包括城区面积10．8万平方米和东郊墓地MA、HB、周围寺院民居遗址及楼兰贵族墓。1901年3月瑞典探险家斯文·赫定在维吾尔向导奥尔得克的帮助下发现了楼兰古城，从挖掘出上的佉卢文简牍“kroraina”一词推定古城原名楼兰。
历史上，楼兰是西汉时西域三十六国之一。张骞通西域后，楼兰成为东西方交通的重要孔道。魏晋之时，西域长史驻楼兰城，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。
楼兰被人们称为“一块紧张的世界史的纪念碑”。曾盛极一时的西域重镇在公元3世纪后迅速地悄然退出历史舞台，直到一千七百年后的今天，还保持着她“谢幕”时的姿态，令人恍忽觉得历史就发生在昨天，这一切至今还是个没有真正揭开的谜底。到了唐代，“楼兰”就几乎成了边远的代名词。李白的《塞下曲》中就有“愿将腰下剑，直为斩楼兰。”的诗句。
楼兰王国的历史还远不是一个楼兰古城所能揭开的。根据孔雀河故道下游太阳墓地和小河 5号墓地出土的干尸，考古专家向人们揭示了楼兰的历史：上溯4000年左右的一段时期，楼兰地区生活着一支以游牧为生的金发碧眼的原始欧洲人种，他们留下几具干尸，就神秘地走了。
其后的2000多年，楼兰找不到一丝痕迹，史书中也没有半点墨迹。汉一晋时期，楼兰地区出现了蒙古人。这时的楼兰演绎出农业文明，并以其在丝绸之路上的重要地理位置，传递着东西方文明。而在晋代之后的1500年，楼兰再次消失得无影无踪，直到100年前，人们才在塔克拉玛干沙漠的东缘，偶然看见了楼兰残破的城墙和佛塔。
有的学者认为：斯文·赫定发现的这个楼兰古城既不是早期楼兰王国的都城，更不是楼兰改国名为鄯善后的国都（扌于）泥城，因为楼兰古城碳 14测定的年代不早于东汉。斯坦因在黄文弼发现的土垠遗址西南不远处发现了一座汉代古城（编号LE城），新疆考古研究所称其“方城”，位于罗布泊北岸之西，铁板河末流的河网地带，“方城”距离楼兰古城24公里，北京大学林梅村教授认为这是早期的楼兰都城。
当时的楼兰王国还是罗布泊附近一个半耕半牧的弱小国家，丝绸之路开通后，楼兰成为中西交通的枢纽。由于楼兰王安归与匈奴勾结，不断地在丝绸之路上劫杀汉使，汉朝大将军霍光便派傅介子前往西域刺杀安归。傅介子带着刺客来到楼兰，假称要赏赐安归金币。安归大喜，应邀与傅介子一起饮酒，傅介子有意灌醉安归，将其扶到屏风后，命两名刺客杀了安归。左右王公贵族见状纷纷逃散。傅介子立即召告楼兰国民：“安归王对汉朝犯下了死罪，天子派我来杀掉他，现在汉朝的部队已赶到，改立在长安纳为人质的安归的弟弟尉屠焉为新国王。”傅介子斩下安归的首级，派快马送回长安，悬于长安未央宫北门下示众。
平定楼兰之乱后，汉昭帝即诏立尉屠焉为新王，并改楼兰国名为鄯善，授予国印，赐宫女为妻及大批车马和辎重。行别时尉屠焉对汉昭帝说：“我长期在长安居住，现在回去当国王，孤身一人，恐难服众。而且前王子尚在，回去后恐被其仇杀。楼兰国中有伊循城，那是一块富饶美丽的绿洲，天子可派一名将领率部队到那里屯田积谷，也使臣有所依靠。”
于是汉朝即派一名司马，带兵40人随尉屠焉一起回西域。尉屠焉继位后，于公元前77年将国都从罗布泊北岸的楼兰故都（方城）迁到（扌于）泥城（今若羌县城），汉朝在（扌于）泥城以东的伊循城(36团米兰遗址)也设立了伊循都尉。此后楼兰故都没有再发展，估计只有原王室贵族仍居住在这里，从2003年楼兰贵族墓的发掘，也说明了这一点。
东汉时期，班超的儿子班勇继承父业任西域都护，派手下索励率酒泉、敦煌兵千人到罗布泊屯田造房，并召集鄯善、焉耆、龟兹等国士兵各一千人在孔雀河下游拦河筑坝，引水开荒，积粟百万。由于孔雀河被拦，导至下游楼兰故都水源断绝而废弃。屯田士卒在罗布泊西岸起“白屋”，建新城，逐渐形成了今天可看见的有“三间房”的楼兰古城，并将此发展成为西域长史府治所。
2003年3月19日新疆文物考古研究所楼兰考古队在对楼兰被盗墓葬进行清理时，发现了墓室中的壁画。这座墓葬距LE方城约4公里，距离楼兰古城24公里。墓室规模较大，前后室均绘壁画，前室东壁所绘身着华丽服装的男女人物形像，是墓主人高贵身份的显示。专家否定了这是楼兰“王陵”的说法，推测其为3世纪前后“城内一个贵族家族的合葬墓。
说法一：楼兰消失于战争，公元五世纪后，楼兰王国开始衰弱，北方强国入侵，楼兰城破，后被遗弃。
说法二：楼兰败于干旱缺水，生态恶化，上游河水被截后改道，人们不得不离开楼兰。楼兰曾颁布过迄今为止发现的世界上最早的环境保护法律。
说法三： 楼兰的消失与罗布泊的南北游移有关， 斯文·赫定认为，罗布泊南北游移的周期是1500年左右。3000多年前有一支欧洲人种部落生活在楼兰地区，1500多年前楼兰再次进入繁荣时代，这都和罗布泊游移有直接关系。
说法四：楼兰消失与丝绸之路北道的开辟有关。经过哈密（伊吾）、吐鲁番的丝绸之路北道开通后，经过楼兰的丝绸之路沙漠道被废弃，楼兰也随之失去了往日的光辉。
说法五：楼兰被瘟疫疾病毁灭。一场从外地传来的瘟疫，夺去了楼兰城内十之八九居民的生命，侥幸存活的人纷纷逃离楼兰，远避他乡。
说法六：楼兰被生物入侵打败。一种从两河流域传入的蝼蛄昆虫，在楼兰没有天敌，生活在土中，能以楼兰地区的白膏泥土为生，成群结队地进入居民屋中，人们无法消灭它们，只得弃城而去。