吐鲁番地区是天山东部的一个东西横置的形如橄榄状的山间盆地，四面环山。 盆地西起阿拉山沟口，东至七角井峡谷西口，东西长245公里；北部为博格达山山麓；南抵库鲁塔格山，南北宽约75公里。 这里发现了远古时期的鱼类和恐龙化石，证明这里曾是一片大海，由于地壳运动，逐渐变为陆地，盆地开始形成。吐鲁番盆地经历了地质年代的侏罗纪、白垩纪、第三纪、第四纪，是一个逐渐凹陷的古老盆地，特别是在距今3000万年前的喜马拉雅造山运动期间，盆地北缘的博格达山急剧上升，而盆地南北缘的库鲁克塔格山上升幅度较小，两山之间断裂陷落，最终形成了北高南低、西宽东窄的不对称盆地。中部有火焰山和博尔托乌拉山余脉横穿境内，把本地区分成南、北两半。盆底艾丁湖水面，低于海平面155米，是中国最低的盆地，在世界上也仅次于低于海平面391米的约旦死海，为世界第二低地。鸟瞰吐鲁番盆地，可以清楚地看到，它以艾丁湖为中心，呈环状分布的地形，由三个环带组成。最外一环由高山雪岭组成，北面横亘着博格达山，高耸入云，终年白雪皑皑；南边有库鲁塔格山；西面有喀拉乌成山；东南有库姆塔格山；可谓四面群山环抱。盆地中环是长期以来山岭风化剥蚀，由流水搬运下来的戈壁砾石带。盆地的第三环带是最具生命力的、诱人的绿洲平原带。这里大部分属于山倾斜平原，堆积着大面积细土质冲积物，因火焰山横卧在盆地中央，使潜水位抬高，在山体的南北缘形成一个溢出带，造就了南、北两部分绿洲，成为吐鲁番盆地各族人民世代繁衍生息的基础。吐鲁番盆地山区面积为9850平方公里，平原面积为59863平方公里。
吐鲁番盆地气候极度干旱，雨水极少，水流自然移运物的能力极差，故盆地中堆积物极其微小，这是一个重要原因。另外在第四次新构造运动中，盆地中部又形成了一条由东向西的火焰山，由于这座低山的阻隔作用，从天山被流水携带下来的风化物质只能在山北积累，而山南就受到了保护，避免了堆积，因而长期以来得以保持在海平面以下的地势。吐鲁番盆地的地势特殊，四周环山，其北面的博格达山的主峰海拔达5445米，而盆地中的艾丁湖面海拔-154米，在这样短的水平距离内，高差竟达5600米，堪称自然界中的一绝。