樓蘭古城的平面大體上是一個長方形。若以復(fù)原的城墻計算，面積達10余萬平方米。它的東城墻長約333.5米，南城墻長約329米，西城墻和北墻均長約327米。北城墻和南城墻因順東北風勢，所以保存得較為完整，而東城墻和西城墻因受東北風的強烈侵蝕，已所剩無幾。

斯坦因在城中發(fā)掘了一處近100平方米的廢墟，在這里發(fā)現(xiàn)了少量的盧文簡牘和大量漢文簡牘以及銅、陶、木器、漆器、絲、毛織品等。

根據(jù)漢文簡牘可以得知，城中西南的大院落為長史衙署遺址，其附近為長史衙署的附屬建筑。建筑形式既具有內(nèi)地建筑的特點，也保持了當?shù)氐慕ㄖL格。城內(nèi)渠道以東的一組房屋建筑，規(guī)模宏偉，是客館和高級官吏的邸宅。南城似乎為軍事駐地。散布在城內(nèi)的其他建筑，可能是當?shù)赝林c漢族的寄居區(qū)。

簡牘上面所記載的日期表明這個神秘之城被廢棄的時間大約在公元3?4世紀之間。在1907年對樓蘭的第二次考察中，斯坦因發(fā)現(xiàn)了“從未報道過、完全出乎意料”的樓蘭壁畫。當來到一座大佛寺里，在長方形的基座走廊上，他發(fā)現(xiàn)了一個穹頂?shù)膱A形建筑，在這里意外地看見了美麗的壁畫——“帶翼天使”的頭像。斯坦因斷言：“壁畫的整體構(gòu)思和對眼睛等的表現(xiàn)，純粹是西方式的。