1900年，瑞典探险家斯文·赫定在新疆罗布泊北岸发现楼兰古国遗迹。楼兰在何时建立至今不详。近代在对楼兰及其附近的考古发掘中发现了一些楼兰时期的木乃伊（塔里木木乃伊）。这些木乃伊的年代可以追溯到公元前1800年左右至公元前前1世纪左右。通过考古证实，楼兰与生活于塔里木盆地的吐火罗人密切相关。楼兰这个国家最早于西汉时期的史料记载。根据《史记·匈奴列传》：定楼兰、乌孙、呼揭及其旁二十六国，皆以为匈奴。当时的楼兰附属匈奴。汉武帝初通西域，使者往来都经过楼兰，楼兰却屡次替匈奴当耳目，并攻劫西汉使者。公元前108年，汉武帝派兵攻破楼兰，俘获其王。
楼兰降汉，又遭匈奴攻击，于是分遣侍子，向两面称臣。后匈奴侍子安归立为楼兰王，遂亲匈奴。公元前77年，汉昭帝遣傅介子到楼兰，刺杀安归，立尉屠耆为王，将其首都由罗布泊西岸迁往南岸的伊循城，另置伊循都尉镇抚，又改其国名为鄯善。汉朝又在楼兰故地设都护府、置军侯，开井渠，屯田积谷。从罗布泊至渠犁亭燧相望，成为军事和交通要地。楼兰境内土地多沙地，可耕地极少，需要仰赖旁边的小国补充粮食。其人民率领畜牧动物逐水草而居。魏晋时期，在楼兰屯田的规模很大，士卒们开垦荒地，修渠筑坝，种植各类作物，使当年楼兰地区的农业生产有了相当的发展。
在楼兰古城外，考古队员们找到了人工渠道的痕迹，并且在城外密集的雅丹地形中发现了古代的农田和灌渠。公元330年，由于孔雀河水的改道，位于其下游的楼兰水源枯竭，屯田生产无法进行，西域长史府被迫迁移。据《水经注》记载，东汉以后，由于河水改道，导致楼兰严重缺水。尽管楼兰人为疏浚河道作出了最大限度的努力和尝试，但楼兰城最终还是因断水而废弃，民众南移，楼兰城最终成为今天的楼兰故城遗迹。这里需要注意区分楼兰故城和楼兰古国（鄯善国）这两个有联系又有区别的不同概念。大量史料证明，楼兰古城的消失不等于鄯善国（楼兰国）的消亡。
楼兰国（鄯善）在楼兰城废弃后仍活跃在历史的长河中。公元4，鄯善国（楼兰国）先后并吞了若羌、小宛、精绝、且末等国，成为西域七强之一。直到公元492年，鄯善国在高车（敕勒，丁零）的攻击下灭亡，从此鄯善国（楼兰国）不复存在。《南齐书·芮芮虏传》记载：道经鄯善、于阗，鄯善为丁零所破，人民散尽。公元645年，大唐高僧玄奘西行归来，在《大唐西域记》中记载了楼兰、鄯善城郭早已荒废的景象。
