據《史記·大宛列傳》記載：“樓蘭、姑師，邑有城廓,臨鹽澤。”西漢王朝與匈奴激烈抗爭,通達西、南亞只能取道阿爾金山、昆侖山北麓或天山南麓。地當西行孔道的樓蘭很快發展成為“絲綢之路”上的新興都市。樓蘭城墻大約修築於西漢末年或東漢初年。4世紀中葉以後隨著絲路交通的轉移,樓蘭逐漸衰落,後沈沒在沙磧之中。
1900年瑞典人斯文赫定在羅布泊考察中，向導艾爾得克偶然發現這處遺址。瑞典的探險家斯文赫定正在羅布泊西部探測，他的維吾爾族向導阿爾迪克在返回考察營地取丟失的鋤頭時，遇到了大風暴，迷失了方向。但這位機智勇敢的向導，後來不但回到了原來的營地，還發現了壹座高大的佛塔和密集的廢墟，後來經過考古發掘，證實這裏就是消失了上千年的樓蘭故城。
1901年，斯文赫定在遺址中掘取了大量漢文木簡、文書，少量佉盧文書、古錢、精美木器等文物。所獲佉盧文書中有“ Krorain” 字樣，與樓蘭音通，推定該遺址就是漢文古籍中的“樓蘭”城。此後，美國的E.亨廷頓、英國的A.斯坦因、日人大谷光瑞、桔瑞超等先後多次進入樓蘭，進行盜掘，取走漢書木簡、文書 570多件，佉盧文書50多件。所出漢文資料，最早的紀年文字為曹魏嘉平四年 (252)，最晚為前涼建興十八年 (330)。
1979至1989年，新疆文物考古研究所先後 7次組隊進入羅布荒漠調查樓蘭故城。
1980年對故城及城郊漢墓進行了發掘。
1988年被國務院批準為全國重點文物保護單位。