吐鲁番出土文物陈列厅展出文物近300件,其中国家一级文物28件。所展出的文物主要有以红色彩陶和素陶为代表的,有着明显地方特征的早期文化遗存;大量的丝织品是丝绸之路上的典型文物,有锦、绢、纱等各类品种,十六国时期的共命鸟纹刺绣、唐代的花鸟纹锦等都是稀世之宝;举世闻名的吐鲁番出土文书有契约、籍帐、官府文书、私人信札等,是研究魏晋南北朝隋唐史的重要资料,粟特文、回骼文、梵文等古代少数民族文书是研究少数民族古文字的珍贵资料。
古尸陈列厅现展出晋——唐时期的千年古尸五具,其中高昌王国侍卫军首脑人物张宁夫妇的干尸最为引人注目,由北京自然博物馆复原的张宁夫妇像形态逼真,栩栩如生。吐鲁番的干尸是由于气候、地理环境等多种自然因素而形成的,它与古埃及以人工方式处理过的木乃伊有着根本的不同,所以说它是珍贵的标本。它对人类学、考古学、医学等学科的研究,特别是对新疆历史的研究有着重要的科学价值。
巨犀陈列馆是于1996年在主馆的基础上扩建而成的一座具有现代化水准的大型展厅,总投资200万元,1997年8月正式对外开放,是目前西北地区最大的自然博物馆。馆中所展天山巨犀化石是1993年兰新铁路复线修筑过程中在吐鲁番东部的飞跃火车站发现的,是陆地上曾经生存过的最大的哺乳动物,它生活在距今2400万年前的渐新世,体长约9米,体重约30吨,该馆的建成和开放丰富了博物馆陈列内容,加深了陈列内涵,形成了吐鲁番一道亮丽的风景线。
除以上三个基本陈列外,吐鲁番博物馆自建馆以来,还先后成功举办了《亲切的关怀--党和国家领导人视察吐鲁番展》、《庆香港回归展》等各类书画、摄影展及其它宣教活动。全馆累计接待国内外观众近50万人次,同时每年组织中小学生来馆学习,并对现役军人实行免票参观,取得了良好的社会效益,先后被命名为地区爱国主义教育基地、国防教育基地等。为繁荣新疆地方特色文化和加强精神文明建设作出了独特的贡献。