楼兰古城位于县境罗布泊西岸一片密集的雅丹地形中，其地理座标为东径89°55′22″，北纬40°29′55″古城遗址为不太规则的方形城池，四周城墙的残亘仍清晰可见，城墙东面长约333.5米，南面长约329米，西面和北面均为327米，总面积约10.8万平方米。城墙为夯筑，在间隔厚80厘米的夯土中夹压芦苇和红柳枝。南北城墙中段各有一个缺口，似为南北城门。在西城墙中段也有一个缺口，其缺口两侧，有两个突出的土台，因年久风蚀严重，已无法判断其原貌。东城墙只保存了一些残段，城门有无，已无法判断。

古城中的建筑布局，主次分明，城内最高建筑物是位于城中心偏东的一座佛塔，残高10.4米，其外形与古代印度的佛塔“者堵波”一致。塔基呈方形，每边长约19.5米，塔身为圆柱形，系土坯夹木料垒砌而成，中间填有土。塔顶已残，无法见其原貌。

佛塔南面联接着一片大型建筑遗址，地面乱放着许多粗料，其中有数十根木料长约4.65~5.30米，宽约0.30米，厚约0.20米。这些木料都经过精细的加工，凿有排列有序的榫。斯文赫定和斯坦因等曾在此发现雕刻成各种精致花纹的装饰木、木板和木雕佛像。此地可能是一个佛殿。

城中心现存的排列整齐、较为醒目的四堵土墙，被人们称为“三间房”，墙厚1.1米，残高2米，坐北朝南，直对南城门，东西两侧各有一间房，中央有一小广场。“三间房”是城中唯一使用土坯砌筑而成的建筑物。这个建筑区东西长12.5米，南北宽约8.5米，东西两端房屋均为木结构，地面有散发着的木料，木料柱子上有精雕细刻的花纹和残留的朱漆。此地可能是当年楼兰统治者的官衙所在地。

城的西部和南部是成片的居住区遗址，其房屋营筑方法均采用中亚干旱地区常见的构筑法，屋墙是用芦苇秆和红柳枝横排列成篱笆状，然后用皮或草揉制成的绳子捆绑加固。西部和南部的房屋构筑方法虽然一样，但其布局却有明显差异，西部的建筑是由一座座宅院组成的，宅院内有前厅、中堂、厢房和后宅之分，有的住宅后边还有小花园。南部的建筑基本上是由一排紧密联接的住房组成，房屋均为单间，无花园和院落。

城中有一条古河道，自西北向东南穿越而过。城郊南面有三条干涸的河道，北面有一条。城外北郊，离城约4~5公里的地方还有一座佛塔，已风蚀，塔身残高7~8米，亦为圆柱形。佛塔身下有青砖铺的台基，塔顶为一平台，台中间还有一个圆台基，台基的上部已损坏，在下部可见到彩色壁画的残迹，台基四周是围廊。此外，城周围还有一些佛寺、烽燧等遗址和古墓葬，以及干枯的大片胡杨林。