吐鲁番盆地位于新疆中部，是一个由于地质断陷而形成的山间地堑盆地。实际上吐鲁番盆地是盆地中的盆地，它本身是吐鲁番-哈密盆地的一部分。吐鲁番-哈密盆地形似一个扁担，其中间地势较高的库木塔格山将盆地分为东西两部分，东部为哈密盆地，西部为吐鲁番盆地。
吐鲁番-哈密盆地的形成，是由于北部的博格达山和南部的库鲁克塔格山在造山运动中隆升速度不一致，导致两山之间的地区被撕裂下陷而形成。由于盆地内各部分下陷程度不一，西部的吐鲁番盆地下陷最深，东部的哈密盆地次之，中间的库木塔格山最少，从而形成了今天吐鲁番-哈密盆地这种盆地中有盆地的特殊地理格局。
吐鲁番-哈密盆地的海拔等高线图
其中西部的吐鲁番盆地地势最低，平均海拔约500米左右，比四川盆地的平均海拔都要低一些。盆地底部的艾丁湖，湖面海拔为-154.31米，是中国陆地的最低点。吐鲁番盆地也是世界第二深的洼地，仅次于西亚地区的死海洼地。
吐鲁番盆地的火焰山
吐鲁番盆地也是世界上离海最远的洼地，距离其最近的海洋孟加拉湾，与吐鲁番盆地的直线距离超过2300㎞。由于距离海洋遥远，来自海洋的暖湿气流无法到达这里，吐鲁番盆地也是世界上最干旱的区域之一。整个盆地内部的年平均降水量都低于25㎜，盆地内的托克逊，有记录的最低年降水量仅为5.9㎜，是中国降水量最少的地方。
