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，古河道是双向注入罗布泊的河流，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。古城城墙用新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，塔身内有椎木。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，也有一组较大的建筑，是由许多房间组成的一组建筑。在城西侧的北郊和南郊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怯卢文简牍以及陶、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。
神秘消失的王国：曾经的绿洲
中国史籍中最早关于楼兰王国的具体记载见于《史记·大宛列传》。根据记载，我们知道楼兰是一个西域小国，建国于盐泽边上，有城郭，然而“兵弱易去”。这里的“盐泽”，指的是罗布泊。到汉代史学家班固撰写《汉书》时，楼兰王国有1570户人家，共14100口人，国都名“打泥”。《汉书》进一步介绍了楼兰的生态环境：“地沙卤少田，寄田仰谷分国。国出玉，多葭苇、枝柳、胡桐、白草。民随畜牧，逐水草。有驴马，多骆驼。能作兵，与婼羌同。”
汉昭帝时，楼兰改国名为鄯善，并请求朝廷驻军伊循。昭帝在伊循城置都尉，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，楼兰在丝绸之路上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书，逐渐地神秘消失了。
19世纪中叶至20世纪初，亚洲北部一向寂寞荒凉、杳无人迹的塔克拉玛干沙漠之中，开始不时闪现出西方冒险家的匆匆身影，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，也逐渐被这些探险者所发现。
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，沿途他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婼羌县(今若羌)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，一个戏剧性的事情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，来到一处看起来可打出淡水的地方，赫定决定掘井取水时，发现唯一的铁铲丢失了，随同的一名向导被派回原路去寻找。此时暮色迫近，饥饿的向导寻得铁铲后连夜返回，不料路上狂风大作，漫天的风沙使他饥肠辘辘无法前行。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汇报。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、陶片出土。随着发掘的不断开展，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·赫定以前到过的古城的发现都更丰富，城里建有官署、寺庙、僧舍、瞭望塔、马棚和街市，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。他发现古城出土的文简牍上多次出现“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。1901年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。”
探险者再次闯入：来了斯坦因
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世纪末正是地理大发现的余波——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。斯坦因手不释卷地拜读了斯文·赫定几年前探索西域后出版的《穿越亚洲》一书后，立即产生了步他后尘、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，他的目标非常明确，按照斯文·赫定的探险记录重新考察斯文·赫定的发现，只不过他做得更细致、更彻底。他找到了尼雅古城的精绝故地，并发掘和窃取了大量的怯卢文字木简或木牍。当获悉斯文·赫定找到了楼兰古城，斯坦因直觉断定楼兰古城附近还会有未被探访的其他遗址，于是他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、尼雅等遗址进行考察之后，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，斯坦因带上五十余名雇工，踏上了去往楼兰的征途。12月17日，图上标注的楼兰遗址开始出现在斯坦因面前了。硕大的佛塔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、寂静。斯坦因在它的脚下扎下了帐篷，第二天即开始了发掘，后来他兴奋的写道：“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，要比我对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的房间中，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二百多件写在木头和纸上的汉文、怯卢文书……所有艺术品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……”
斯坦因指挥民工和助手们在古城夜以继日地挖掘了十余天，获得了大批文书、简牍。当斯坦因伫立在佛塔遗址的高处，打量这座异常荒凉而又至为珍贵的遗址时，他仿佛体验到了岁月的魔力所创造的悲凉。眼前的一切，几乎使人难以相信过去这里曾孕育了一个充满生机和繁荣的社会。
当发掘进入最后几日，处境逐渐艰难起来，从外面带来的雇工连续思病，淡水也越采越少。1906年12月29日，斯坦因决定离开这里，向敦煌进发。这天早上，骆驼队装满了楼兰的“发掘品”，在寒冷的东北风中，离开了楼兰。
米兰古城：让人惊喜不已的发现
米兰是一座早已失去繁华的古城，甚至连它那令人倾心的名字也已消失了。米兰古城在古代又称磨朗、密远，靠近今天的青新公路，处在自敦煌沿疏勒河到楼兰、昆仑山北麓西行的古丝绸之路南道上，是著名的伊循屯垦古城遗址。米兰古城是楼兰国最早的王城。始建于东汉时期。公元5世纪中后期，因楼兰国为丁零所破，民众尽散，城池废弃，其地为吐谷浑所占。唐初，吐蕃势力进入西域，讨伐吐谷浑，随之占据了此地。
早在公元前77年，楼兰国内发生事变，汉王朝册封的新王因久不在国内，担心继位后统治国家力不从心，于是，请求汉兵到伊循城屯垦戍边，米兰自此繁荣起来，而楼兰城便日渐衰败。据斯文·赫定在楼兰发现的有关文书记载，楼兰周围有军事扰乱和战争的威胁，而驻守楼兰的官兵却忠于职守，拼死保城。兵士们照常给朋友们写信，丝毫不为即将到来的危险所惊扰。斯文·赫定感叹道：“这些中国人用这样大的毅力和勇气竭尽他们的责任，真令人感慨不已。由此可以看到这个奇异的民族是怎样统治半壁亚洲的。这并不是幻想力的创造物，也不是诗，这是赤裸裸的事实。”直到后来他还自问：“我很奇怪，我们瑞典怎么就没有一块比我在楼兰发现的竹简和纸片更古老的石头?”就在楼兰彻底荒芜之时，米兰屯田戍堡则空前强盛，不仅富庶而且安全，于是近在咫尺的楼兰与米兰，就成了逃离点和接纳点，这或许可以为探索楼兰消失之谜打开一个窗口。
1907年新年伊始，斯坦因在去敦煌之前，发现了“从未报道过、完全出乎意外”的米兰壁画。后来他记述道，他在去米兰的路上感到神秘和荒凉，其神秘就在于它与世隔绝，数个世纪以来从来没人去打扰，更令他激动的是“一堆藏文文书”，“它们是从守卫着玄奘和马可·波罗都走过的去沙洲路上的古堡垒里出土的”。他在给朋友的信中描绘了米兰丰饶的文物，“比藏文文书更让人感兴趣的是一打一打的藏族漆皮鱼鳞战甲残片。各种残片都有，它也许能制成一套战甲……”
“我一直认为堡垒附近一些宝塔和寺院建得更早些，我所希望的事被一种使人眼睛一亮的发现所证实。从一座破坏严重的寺院里，我找到了几个完好的涂垩粉的头像，与热瓦克发现物相比一样好或更好些……同一寺院还出土了约公元300年的贝叶书，我还是第一次发现这种书写材料。”他一口气挖掘出的一件又一件稀世珍宝，足以使斯坦因富甲天下了。然而，他做梦也没想到，更大的幸运像天使般向他飞来。
这天，他来到一座大佛寺，在长方形的基座走廊上，发现了一个圆形建筑的穹顶。在这里他意外地看见了美丽的壁画——带翼天使的头像。其绘画时间，斯坦因断定不会早于亚历山大之前。他认为：“在我看来，壁画的整个构思和眼睛等等表现纯粹是西方式的。残存的带有怯卢文的题记的祷文绸带，高度可信地说明，这座寺院废弃于公元3至4世纪。”他终于找到了渴望已久的与尼雅同时期的绘画作品。“此外，还找到了从上面滑落下来的大片壁画残片。移动这些壁画残片中最精美的一些天使像成了很棘手的问题。我整天忙于包装这些又松又脆的壁画。幸运的是树林很近、足以供应木头做箱子，还有芦苇等做填充材料。”
1907年2月5日，斯坦因在另一个围绕宝塔的穹顶寺庙的墙上发现了精美的壁画。“其外侧已变成一堆不成形状的残骸。只是部分上部板片和下面的护墙板没遭破坏，但这些均堪列入最好的犍陀罗雕刻品之列。持花的蒲蒂和周围装饰的快乐的男青年和其间的女郎头像，看起来是希腊一罗马式的，这是一幅多么好的中国边疆佛教寺院里的喜悦的生活场景。”他还以轻松顽皮的语调描述了这个场面：“这些漂亮的女郎从哪里得到玫瑰花冠?这些男青年从哪里得来酒杯和酒碗?这一切奇怪得像是用魔法在卡尔顿周围创造出了沙漠及其滚滚的沙丘，而一伙迟到的饮宴者正在为之惊奇。”
斯坦因原计划在米兰挖掘四天或五天，但实际却呆了十八天。盗取的文物之多令人惊诧不已。特别是“带翼天使”的发现令他激动不已：“这真是伟大的发现!世界上最早的安琪儿在这里找到了。她们大概在两千年前就飞到中国来了。”米兰壁画是新疆境内保存最古老的壁画之一，这里的“带翼天使”可以说是古罗马艺术向东方传播的最远点。驱赶着六峰装载着米兰文物的骆驼，斯坦因心满意足地离开了这里。
魂牵梦绕的古城：斯坦因再次到来
1914年1月，第三次中亚探险考察的斯坦因再次来到米兰，他对这个令他魂牵梦绕的神秘古城仍心存幻想，幻想着攫取更丰富的、令人痴迷的文物。2月10日，斯坦因率领大批驼队在天黑时抵达米兰遗址。此刻，这位身材矮小的探险家由于前两次塔里木盆地探险“功绩卓著”而在1912年夏季被印度的英国总督授予印度帝国高级骑士头衔，授爵仪式于克什米尔的斯利那加举行，也是在此地，斯坦因将前两次考察的情况整理出来，与第一次探险时相比，斯坦因此时颇有功成名就的得意感。
当功成名就的斯坦因开始他的第三次考察时，他已完全感受到了一种与以往历次考察完全不同的意识观念和心态，沿西北边境的旅行更加强了这种观念。他亲眼看到威胁英国统治秩序的部落相继臣服，部族仇杀被制止，卫生、教育和贸易得到发展。他的思想被一种不可动摇的信念所支配，那就是西方学术的无比优越，一切都应以此来加以衡量。
在接近米兰遗址的沙漠中，斯坦因又找到了几处古代遗址。城墙由树枝和泥土混合筑成，他们在那里清理出了许多建筑木构件和其他钢铁之物。在另一处比较小的堡垒附近，斯坦因又发现了一些用怯卢文及汉文书写的简牍。他认为这几处遗址大都是公元4世纪初叶以前的建筑。斯坦因在米兰遗址清理了一段时间后，将工作重点转移至距米兰遗址四英里的一处孤立的台地上。在那儿，他们找到了一批古代墓葬。各种随葬器皿及丝织物令斯坦因眼花缭乱：花纹繁缛的各种丝、毛织物和铜镜、汉文文书等，清楚地表明这些是属于汉代的遗物。织有“韩仁绣”字样的汉代织锦，色彩斑斓，艳丽如新。毛织物的风格明确无误地表明了中西方的交往。
在孤台的东北，斯坦因找到一个城堡，他认为是汉代的卫戍所，城堡的建筑方式与沿途所见的堡垒相同。在北墙附近，发现了有纪年的汉文文书，年代在公元3世纪以后。在这个堡垒附近，他们又找到了另一处墓葬，发现了干尸。“从饰有羽毛和其他猎获物件的毡帽、旁边的箭杆、粗纬的毛衣织物、织得很干净的盛食品的小篮之类看来，都可以推断这是一个半游猎的种族。”这是斯坦因后来做出的研究结论。
