吐魯番博物館現有文物20637件，其中珍貴文物707件(其中壹級文物120件，二級文物149件，三級文物438件)。收藏類別有石器、陶器、泥塑、木器、青銅器、鐵器、金銀、文獻、木雕、泥人、繪畫、古屍等。舉世聞名的吐魯番美麗巨犀化石、吐魯番出土文獻、吐魯番出土毛織品、吐魯番彩陶、吐魯番幹屍，都是博物館的瑰寶。有世界上最早的假肢，有中國最早的月餅，有中國最早的藤蔓等等。，特色鮮明，精品薈萃。
吐魯番早期文化以彩陶和素陶圩為代表，具有明顯的地域和民族特色。吐魯番博物館的絲織品種類繁多，是典型的絲綢之路重鎮文物。裝飾畫也大多與鳥、駱駝、孔雀、馬鹿、鴨子等聯系在壹起。其中，十六國時期的鳥繡和唐代的花鳥繡更是稀世珍寶。
吐魯番出土文獻舉世聞名。其中有公文、委任書、戶口本、糧貼、藥方、私信、佛經、買賣合同、陪葬衣物清單等。涉及政治、經濟、文化、宗教、民族、風俗等社會生活的方方面面，是了解和研究西域及吐魯番古代社會的重要史料。這些文獻的文字多種多樣，有粟特語、回鶻語、梵語、西夏語、蒙古語、漢語等24種。其中，白子溪石窟出土的彩繪摩尼教經典殘片更是稀世珍寶。
吐魯番出土和收藏了很多貨幣，除了中國和吐魯番常用的貨幣，還有絲綢之路上的中亞、西亞和歐洲流行的貨幣。這些都是絲綢之路文化融合、經濟繁榮的重要實物見證。