吐鲁番博物馆的馆藏非常丰富，规模仅次于自治区博物馆，是新疆第二吐鲁番博物馆大博物馆。馆藏文物5000余件，其中一级文物近百件。在自治区博物馆收藏的西汉到唐代，也就是丝绸之路昌盛1000多年之间的文物，80%以上都来自吐鲁番。吐鲁番博物馆位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市最繁华的高昌路西侧，1989年建成，占地9亩，由主馆和巨犀陈列馆两部分组成，总建筑面积2000平方米。吐鲁番博物馆设施齐全，有现代化的安全保卫设施，有封闭式大透明展柜，有齐备的讲解员队伍。现有藏品3287件，其中国家一级文物135件，二级文物260件，三级文物640件，是目前新疆地州市中规模最大的博物馆。该馆设计风格独特，厚朴凝重，突出了西域地方民族特色和历史沧桑感。全馆根据不同的需求分为接待大厅、吐鲁番出土文物陈列厅、古尸陈列厅、巨犀陈列馆、展览厅、库房等多个部分。

整个展厅分为出土文物陈列厅、古尸陈列厅和巨犀化石厅三部分。主要陈列吐鲁番地区发掘的历史文物300多件，有石、陶、木、铜、铁、金、银器和文书、毛麻丝织品、木雕、泥俑、绘画、古尸、粮食、干果及各类食品，上起石器时代，下至明清，其中大部分是古墓中的随葬品，少部分是征集品和民间文物。出土文物陈列厅分石器时代和姑师（车师）时期，高昌郡、高昌王国、唐代西州、回鹘高昌等5个文化单元，集中反映吐鲁番地区的社会历史发展过程和文明成果。吐鲁番博物馆早期文化以彩陶和素陶为代表，具有明显的地域民族特征。丝织品种类很多，是丝绸之路重镇的典型文化遗存。装饰图也以西域常见的对鸟、骆驼、孔雀、马鹿、双鸭等连缀圆形为多，其中十六国时期的共命鸟纹刺绣和唐代的花鸟刺绣等，都是难得的稀世珍宝。吐鲁番出土的文书举世闻名，其中有官府文书、任命书、户籍、粮贴、药方、私人信札、佛教典籍、买卖契约、死者随葬衣物清单等等，涉及政治、经济、文化、宗教、民族、习俗等社会生活的各个方面，是了解和研究西域和吐鲁番古代社会的重要历史资料。这些文书的文字具有多样性，有粟特文、回鹘文、梵文、西夏文、蒙古文、汉文等24种之多。柏孜克里克石窟出土的彩绘粟特文摩尼教经卷残片是稀世珍宝。摩尼教的根本教义是“二宗三际论”，二宗是光明与黑暗；三际指过去、现在和未来。吐鲁番博物馆收藏着吐鲁番地区出土的上至旧石器时代下至近现代的5000多件文物精品，是了解吐鲁番历代社会、政治、军事、经济、文化生活的一部微缩的百科全书。该馆的主体建筑是一幢富有地方特色和现代风格的二层大楼，古朴浑厚。整个展览部分分为吐鲁番地区出土文物陈列厅、吐鲁番地区出土古尸陈列厅和巨犀化石陈列厅三个部分。其中吐鲁番地区出土古尸陈列厅是最具神秘性和吸引力的展厅。这里展出的11具干尸，从春秋战国时期至清代时期的古尸，主要出自阿斯塔那—哈拉和卓墓葬群和苏巴什古墓群、洋海古墓群等。古尸陈列厅现展出晋——唐时期的千年古尸五具，其中高昌王国侍卫军首脑人物张宁夫妇的干尸最为引人注目，由北京自然博物馆复原的张宁夫妇像形态逼真，栩栩如生。吐鲁番的干尸是由于气候、地理环境等多种自然因素而形成的，它与古埃及以人工方式处理过的木乃伊有着根本的不同，所以说它是珍贵的标本。它对人类学、考古学、医学等学科的研究，特别是对新疆历史的研究有着重要的科学价值。 巨犀陈列馆是于1996年在主馆的基础上扩建而成的一座具有现代化水准的大型展厅，总投资200万元，1997年8月正式对外开放，是目前西北地区最大的自然博物馆。馆中所展天山巨犀化石是1993年兰新铁路复线修筑过程中在吐鲁番东部的飞跃火车站发现的，是陆地上曾经生存过的最大的哺乳动物，它生活在距今2400万年前的渐新世，体长约9米，体重约300吨，该馆的建成和开放丰富了博物馆陈列内容，加深了陈列内涵，形成了吐鲁番一道亮丽的风景线。巨犀化石陈列厅内的巨犀化石是吐鲁番博物馆的镇馆之宝。据考证，这是目前世界上出土最完整的一具巨犀骨架化石。