汉昭帝时，楼兰改国名为鄯善，并请求朝廷驻军伊循。昭帝便在伊循城置都尉，行屯田。从此楼兰便成为中央政府控制西域的战略支点。东汉时，楼兰在丝绸之路依然占据着重要的位置，东汉政府在楼兰大规模屯田，开发楼兰。此后直至魏晋累几百年之久，楼兰一直是内地通往西域的重要交通枢纽，再后来，楼兰便很少见于史载，逐渐地神秘失踪了。
19世纪中叶至20世纪初，在位于亚洲中部、一向寂寞荒凉、杳无人迹的塔克拉玛干沙漠之中，不时地闪现出西方冒险家的匆匆身影。使得这片广袤数万里，一直湮没无闻的区域，一时间为世人所瞩目：沉寂在沙海之中千百年前的古代绿洲遗址，逐渐被这些探险者所发现，一队队行色匆匆的驼队，开始打破了沉寂千年的大漠，叮当作响，铃声不断地划过空旷的天幕。
1895-1896年，瑞典人斯文·赫定沿克里雅河穿越塔克拉玛干沙漠，到达罗布泊地区，沿途进行了艰苦然而极富收获的地质学、生物学和古代文物遗迹的考察，初步摸清了塔克拉玛干沙漠中重要古代遗址的大致情况。
1899年9月，斯文‘赫定开始了他的第二次塔克拉玛干之行，这次中亚探险得到了瑞典国王奥斯卡和百万富翁伊曼纽尔·诺贝尔的资助。
斯文·赫定在空寂而清冷的蜡羌县稍作停留，便继续向塔克拉玛干东端的罗布泊沙漠前进。1900年2月29日，一个戏剐性的情节，导致了一个非常重要的古代城址的发现。赫定一行抵达罗布泊北岸后，来到一处看来可打出淡水的地方，决定掘井取水时，发现惟一的铁铲丢失了。随同的一名向导被派回原路去寻找。此时幕色迫近，饥肠辘辘的向导寻得铁铲后连夜返回，不料路上狂风大作，漫天的风沙使他无法前行，沙暴过后，在他眼前突然出现了高大的泥塔和层叠不断的房屋，一座古城奇迹般地显露出它的面容。向导将这一发现做了报告，斯文·赫定立刻来到这里，当他亲手从遗址中找出了几件精美的木雕时，他异常兴奋，断定这是个非常重要的古城遗址。赫定后来回忆说：“铲子是何等幸运，不然我决不会回到那古城，实现这好像有定数似的重要发现，使亚洲中部的古代史得到不曾预料的新光明！”
1901年3月，斯文·赫定对这座古城进行了发掘，他迫不及待地发出了悬赏，若是有人能最先找到任何形式的人类文字，便重重有赏。发掘现场不断有小块毛毡、红布、棕色发辫、钱币、陶片等出土。随着发掘的不断展开，终于有大批的汉文、怯卢文木简、纸文书和一些粟特文书以及精美绝伦的丝、毛织品，别具风格的木雕饰件出土。古城遗址面积很大，比斯文·赫定以前到过的各个古城都更丰富，建有官署、寺庙、僧舍、了望塔、马棚和街币，在城外，与之相关联的遗址还相当多。最具兴味的是，在古城附近，还能清楚地看到一条东西向的官道，那显然就是张骞、班超路经的古丝绸之路。也许是建筑基址起了一个固沙作用，附近的土地都已被千年朔风切割得远低于地面达数米，仅有这个楼兰古城，仿佛建筑在一块雅丹的顶部。
整整一个星期，斯文·赫定除了进行发掘外，还调查了古城的寺院遗址和居住遗址；他发现古城出土的怯卢文简牍上次出现"Kroraina”一词，根据在遗址内发现的汉文简牍将此城称为楼兰，因而推定楼兰是"Kroraina”的译音。
3月10日，斯文·赫定心满意足地带领满载包裹的驼队离开了古城。
斯文·赫定后来在他的学术报告《1899-1902年中亚科学考察成果》第二卷《罗布淖尔》中，曾这样抒写自己在罗布泊的感受：“这里的景物一片死寂，就像来到了月球。看不到一枚落叶，看不到一只动物的足迹，仿佛人类从未涉足于此。”
在新疆探险史上，名声、影响、地位与斯文·赫定大致相称的是英籍匈牙利人奥利尔·斯坦因。
1900年开始赴西域探险时，斯坦因正在印度旁遮普邦任学监。19世纪末正是地球大发现的余波——从事中亚探险的准备阶段，久在与新疆相邻的印度任职，使斯坦因在起步前就处在一个有利的位置上。
当斯坦因手不释卷地拜读了斯文·赫定几年前探索西域，并获得重要成果后出版的《穿越亚洲》后，立即产生了步斯文·赫定后尘，赴中国探险的冲动。
1900年，斯坦因利用年假，自筹资金，开始了他的第一次西域探险之旅。这一次，他的目标非常明确，按照斯文·赫定，的探险记录，重走和考察斯文·赫定的发现，只不过他做得更细致、更彻底。但也有意外收获，就是他找到了尼雅的精绝故地，并发掘和窃取了大量的怯卢文字木简或木牍。
当获悉斯文·赫定在他闯人尼雅古城的同时找到了楼兰古城时，斯坦因凭借直觉立刻断定楼兰古城附近还会有未被探访的其他遗址，于是他便着手准备第二次中亚探险。
1906年4月，斯坦因开始了第二次中亚考察，目的为调查“赫定1900年那次难忘的探险所发现的罗布淖尔北面的遗址。”此时，斯坦因还获知了德国探险队的勒柯克和法国探险队都将要进入塔克拉玛干沙漠寻宝的消息，他认为罗布淖尔也是其他探险队瞄准的靶子，他要赶在其他人之前到达那里。
在对喀什、和田、尼雅、安得悦等遗址进行考察窃取之后，他于当年12月初到达了蜡羌，随即开始了对楼兰遗址的探险。
在凑齐了当地所能找到的所有骆驼之后，斯坦因带上50余名雇工，踏上了去楼兰的征途。
12月17日，斯文·赫定在图上标注的楼兰遗址开始出现在斯坦因面前了。硕大的GB840堵坡遗址在瑟瑟的寒风中巍然矗立，使得空旷的沙漠更显得荒凉、安静。斯坦因在它的脚下扎下了帐篷，第二天即开始了发掘。
“我所有的努力都是值得的。我们清理的一连串遗址所得到的，要比我据遗址的数量或保存完好程度所期望的还要多。地面受到了严重的侵蚀，最沉重的大梁木也被破坏殆尽。这个甚至比尼雅遗址还小的古代居民点处于交通干线上，目睹了贸易的兴盛，所以构成主要遗址的一打左右房间中，每一间都出土有丰富的文书……仅一个巨大坚实的垃圾堆中就有200多件写在木头和纸上的汉文、怯卢文书，各个遗址中出土的怯卢文书足以决定性地证明，这里也像尼雅一样，当地的官方语言是一种古老的普拉克特语。公元3世纪印度影响到达如此远的东方是一个新的重要事实，具有广泛的历史意义……所有艺术晶和丝织品与尼雅发现物有着惊人的相似。犍陀罗风格在所有的木雕与浮雕中颇为流行。发现物种类并不丰富，只装了一骆驼或两骆驼的建筑木雕、漂亮的毛毯碎片、刷漆的家具、妇女精美的绣鞋、青铜艺术等等，但这点东西足以代表……”
楼兰古城位于罗布泊西北，距罗布泊约28公里，其地理坐标是东经89°55′22″，北纬40°29′55″。古城的四周大多是风蚀的“雅丹”地貌。遗址在两条古河道的中间，古河道是两条注入罗布泊的河流，古城中间有一条水渠与这两条古河道相连，从西北向东南斜穿古城遗址。
楼兰古城的平面略呈长方形。若以复原的城墙计算，东城墙长约333.5米，南城墙长约329米，西城墙和北城墙均长约327米。面积达10余万平方米。南城墙和北城墙因顺东北风势，故保存较长，而东城墙和西城墙因受东北风的强烈风蚀，保存很差。
古城城墙用黏土与红柳枝或芦苇间杂建筑，红柳枝层约20-30厘米，粉土层则厚薄不一。
楼兰城内的建筑遗迹，若以斜穿城址的水渠为界，可大。致分成东、西两部分。东部主要残留四座建筑遗迹：佛塔与三处房址。佛塔采用夯筑方法，呈八角形，用土坯砌筑，塔身内有木。
比较集中的房址有三处：在佛塔东南约60米的台地上，尚可见有三间房室残迹，地表周围还可见到许多散布的木框构件，以及用红柳枝编织的涂泥的残墙。
城内渠道之西遗迹较密集，在楼兰城中略西南处，建筑遗迹规模最大。这是一座大院落，残存房间六个。在西城墙下，亦有一组较大的建筑，是由许多房间组成的一组建筑。在城西侧的北郊和南邻也有大量的建筑遗迹，可见，在楼兰城被废弃之前，城内建筑是非常密集的。
斯坦因在城中发掘的一处范围近100平方米的垃圾堆，埋藏着大量汉文简牍和少量的卢文简牍，以及陶、铜、木器、漆器、丝、毛织品等。
从出土的汉文简牍分析，城中西南的大院落为长史衙署遗址，其附近为长史衙署的附属建筑。建筑形式一部分具有内地建筑的特点，一部分则保持了当地的建筑形式。城内渠道之东的一组房屋建筑，规模宏伟，是高级官吏邸宅和客馆。散布在城内的其他建筑，可能是当地土著与汉族的寄居区，而南城似乎为军事驻地。
