吐魯番博物館早期文化以彩陶和素陶為代表，具有明顯的地域和民族特色。絲綢制品種類繁多，是絲綢之路重鎮的典型文物。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。吐魯番出土的文書舉世聞名，有公文、委任書、戶口本、糧貼、藥方、私信、佛經、買賣契約、隨葬衣物清單等。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。白子溪石窟出土的摩尼教彩繪殘卷是稀世珍寶。摩尼教的根本教義是“兩個三際理論”，第二是光明與黑暗；三際指的是過去。
吐魯番博物館收藏了從舊石器時代到現代吐魯番出土的5000多件精美文物，是了解吐魯番歷代社會、政治、軍事、經濟、文化生活的微型百科全書。博物館的主體建築是壹棟具有地方特色和現代風格的二層小樓，古樸蒼勁。整個展覽分為吐魯番出土文物展廳、吐魯番出土古屍展廳、巨犀化石展廳三個部分。