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吐魯番市是天山東部的一個東西橫置的形如橄欖狀的山間盆地，四面環山。

盆地西起阿拉山溝口，東至七角井峽谷西口，東西長245公里；北部為博格達山山麓；南抵庫魯塔格山，南北寬約75公里。

地質學家、古生物學家在這里發現了遠古時期的魚類和恐龍化石，證明這里曾是一片大海，由于地殼運動，逐漸變為陸地，盆地開始形成。吐魯番盆地經歷了地質年代的侏羅紀、白堊紀、第三紀、第四紀，是一個逐漸凹陷的古老盆地，特別是在距今3000萬年前的喜馬拉雅造山運動期間，盆地北緣的博格達山急劇上升，而盆地南北緣的庫魯克塔格山上升幅度較小，兩山之間斷裂陷落，最終形成了北高南低、西寬東窄的不對稱盆地。中部有火焰山和博爾托烏拉山余脈橫穿境內，把本地區分成南、北兩半。盆底艾丁湖水面，低于海平面155米，是我國最低的盆地，在世界上也僅次于低于海平面391米的約旦死海，為世界第二低地。

鳥瞰吐魯番盆地，可以清楚地看到，它以艾丁湖為中心，呈環狀分布的地形，由三個環帶組成。最外一環由高山雪嶺組成，北面橫亙著博格達山，高聳入云，終年白雪皚皚；南邊有庫魯塔格山；西面有喀拉烏成山；東南有庫姆塔格山；可謂四面群山環抱。盆地中環是長期以來山嶺風化剝蝕，由流水搬運下來的戈壁礫石帶。盆地的第三環帶是最具生命力的、誘人的綠洲平原帶。這里大部分屬于山傾斜平原，堆積著大面積細土質沖積物，因火焰山橫臥在盆地中央，使潛水位抬高，在山體的南北緣形成一個溢出帶，造就了南、北兩部分綠洲，成為吐魯番盆地各族人民世代繁衍生息的基礎。吐魯番盆地山區面積為9850平方公里，平原面積為59863平方公里。