吐鲁番博物馆的馆藏非常丰富，是新疆各地州博物馆中藏品最丰富的，仅次于自治区博物馆，是新疆第二大博物馆。分为出土文物陈列厅、古尸陈列厅和巨犀化石厅三部分，馆藏文物3287件，其中国家一级文物135件，二级文物260件，三级文物640件。

　　举世闻名的吐鲁番文物中，能称世界之最的是巨犀化石，这是吐鲁番博物馆的镇馆之宝，高5米、长9米，体重有30吨，1993年在鄯善火车站附近出土。据考证，这是目前世界上出土最完整的一具巨犀骨架化石1 3000万年前的吐鲁番是一片深海，水草茂盛，林荫蔽日，是巨犀、大象、长颈鹿及各种动物的乐土家园。后来，由于喜马拉雅的造山运动，地壳隆起，海水退走，一些地方变为平原、盆地、沙漠、戈壁……于是，恐龙、巨犀、独角兽统统被埋人地下，永远和世界告别。对于考古学家和古生物学家来说，巨犀骨架的发现无疑是一个惊喜。

　　博物馆中最具神秘性和吸引力的是12具干尸，主要来自阿斯塔那一哈拉和卓墓葬群和苏巴什古墓群。

　　十六国时期的共命鸟纹刺绣和唐代的花鸟刺绣等，也是难得的稀世珍宝。

　　在国内外学术界享有很高知名度的中国吐鲁番学学会设在吐鲁番博物馆，它已经成为国际吐鲁番学研究的新的中心，从根本上改变了吐鲁番在中国、吐鲁番学在外国的被动局面。2006年下半年，吐鲁番博物馆将投资扩建，新建的博物馆总建筑面积为1万平方米，比过去大5倍。