吐鲁番盆地位于新疆天山东部南坡的一个山间盆地，是北部的博格达山和西部的喀拉乌成山一段，高度都在3500～4000米之间。而紧邻盆地南部山麓的最低部分的艾丁湖面却低于海面154米，是中国最低的洼地。
吐鲁番盆地是一个典型的地堑盆地，也是中国地势最低（-154.31米）和夏季气温最高的地方。大部分地面不超过海拔500米。20世纪80年代以来，通过营造防护林和加强灌溉管理，风沙已初步控制，生态环境有所改善。
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。