吐魯番博物館的館藏非常豐富，規模僅次於自治區博物館，是新疆第二大博物館。館藏文物5000餘件，其中一級文物近百件。在自治區博物館收藏的西漢到唐代，也就是絲綢之路昌盛1000多年之間的文物，80%以上都來自吐魯番。　　整個展廳分為出土文物陳列廳、古屍陳列廳和巨犀化石廳三部分。主要陳列吐魯番地區發掘的歷史文物300多件，有石、陶、木、銅、鐵、金、銀器和文書、毛麻絲織品、木雕、泥俑、繪畫、古屍、糧食、乾果及各類食品，上起石器時代，下至明清，其中大部分是古墓中的隨葬品，少部分是徵集品和民間文物。出土文物陳列廳分石器時代和姑師（車師）時期，高昌郡、高昌王國、唐代西州、回鶻高昌等5個文化單元，集中反映吐魯番地區的社會歷史發展過程和文明成果。　　吐魯番博物館早期文化以彩陶和素陶為代表，具有明顯的地域民族特徵。絲織品種類很多，是絲綢之路重鎮的典型文化遺存。裝飾圖也以西域常見的對鳥、駱駝、孔雀、馬鹿、雙鴨等連綴圓形為多，其中十六國時期的共命鳥紋刺繡和唐代的花鳥刺繡等，都是難得的稀世珍寶。吐魯番出土的文書舉世聞名，其中有官府文書、任命書、戶籍、糧貼、藥方、私人信札、佛教典籍、買賣契約、死者隨葬衣物清單等等，涉及政治、經濟、文化、宗教、民族、習俗等社會生活的各個方面，是了解和研究西域和吐魯番古代社會的重要歷史資料。這些文書的文字具有多樣性，有粟特文、回鶻文、梵文、西夏文、蒙古文、漢文等24種之多。柏孜克里克石窟出土的彩繪粟特文摩尼教經卷殘片是稀世珍寶。摩尼教的根本教義是“二宗三際論”，二宗是光明與黑暗；三際指過去、現在和未來。　　這幅伏羲女媧絹像，長168厘米，寬100厘米，用紅、黃、白、黑四色繪製。畫中，伏羲左手握矩，女媧右手揮規；他們上身相擁，下體相纏，人首蛇身，互相交合；四周宇宙茫茫，閃爍着日月星辰。吐魯番出土的伏羲女媧絹像大多在夫妻合葬的墓穴中，一般用木釘釘在墓室頂上，少數摺疊包好放在死者身邊。這種喪葬習俗始於漢代中原，後來隨着大量漢人移民戍邊傳到西域。