这时他们才发现唯一用来掘井的铁锹被遗放在昨晚的营地上。于是，维吾尔族向导于得克从原路退回昨晚驻地，去取回那把铁锹。于得克在返回途中遇到了强烈的风暴而迷路。第二天风沙停息时，奇迹般出现的一座古城，意外地显露在他的眼前，这不再是什么海市严楼的幻景了，于得克在这座古城里发现了不少文物，拣了几收古铁币和两块雕刻精细的木板，然后匆匆追上了队伍。
当斯文赫定听到了于得克讲述的意外发现并考证了两块雕刻艺术品时，他兴奋异常，激动到“简直有点头晕”。根据他的判断，这座古城废墟可能是他一直在寻找的楼兰古城遗迹。这座在中国魏晋南北朝以前的史籍里有过记载，在罗布泊地区的各民族中流传着种种美丽传说的古城，斯文赫定早有传闻，他抑制不了激动的心情，急于想见到这座古城。
但是，仅存够两天饮用的储水，使斯文赫定不得不把古城的探险推迟到第二年。次年春天，斯文赫定在向导于得克的指引下，来到了这座古城。古城一片废墟，宁静极了，没有欢声笑语，没有车行马走，四周一片死寂和凄凉。这座曾经有过文明昌盛的楼兰古城，多少世纪以来就是那样的在“丹雅”沙原中时隐时现，而今，终于显现在这位探险家眼前。
夕阳西下，余辉投在古城和荒原上，四周只有流沙，探险者对着眼前荒凉而又如画的沙海古城，内心无限扯动，他似乎听到了古城在倾诉它繁华的过去……斯文赫定在古城周围进行了考察并在城内进行了7天的强盗式的发掘，取得了重要的收获：大量的钱币、器皿，陶器、粮食、36件写有汉字的文书，还有竹简抄本、丝织品和几支毛笔等珍贵文物。
出土文书中出现了一个历史学家熟悉的地名——楼兰。一些文书手稿还提供了这个卫戍城市里令人感到新奇、亲切的生活画面，发现的木简和文书有丰富的内容，如对逃税者的惩罚、学童们所涂写的九乘九等于几的潦草的笔迹等都有所记录。斯文赫定梦想不到的考古发现与中国典籍相吻合，使这个神秘的古城为人所瞩目。斯文赫定发现的古城和被盗掘出来的文物轰动了考古界和历史学界，随之接踵而来的是英国人斯坦因，美国人亨臣顿、日本人桔瑞超等人。
他们在这个“自由天地”掠走了一批又一批重要的文物，给楼兰古城造成严重的破坏，楼兰古城在被发现后的半个世纪中。随着沙漠的变幻，时隐时现，令人莫测，被人们称之为“幽灵城”。30年代初，中国考古学家黄文弼先生来到罗布泊的北岸，因大水阻挡未能到达楼兰，仅在罗布泊周围进行调查考察，写成了《罗布泊淖尔考察记》。三、揭开“幽灵城”的面纱真正揭开这座“幽灵城”的面纱的是半个世纪后，我国学者在1979—1980年连续进行了几次综合的考察，直到今天，楼兰古城的发掘整理和研究工作仍未结束。
根据几次对楼兰地区初步的考察和发掘，我们大致可以了解楼兰城址的概貌。楼兰城是一座边长约330米的土城，面积超过10万平方米，城址平面基本呈正方形。城墙是用粘土与红柳枝相间筑成，南北城墙保存较好，城基残存部分宽约5～8．50米、残高约1～4米。城内有一条已干涸的古水道从城西北角穿城而过，把城区分为东北、西南两区。
城内街道脉络分明，官署民舍，界线清楚，城中是官署，城南是居民区。一般的民宅从其残存的房柱、墙基和墙壁可以复原出它的结构。一般规范化的民宅包括院庭，正房、厢房，有的在院后还有小果园。城中的属于官署的大型建筑已成一片废墟，地面到处堆置着粗厚的檩木、高大的门柱、朱漆的梁柱，这些历史的陈迹显露出当时官府的豪华、奢侈。
在河道东面偏北有一座用土坯建造的高耸的佛塔，在楼兰城外十几里处就可眺望见它那直插蓝天的锥顶、残高10．4米，当年斯文赫定曾在这里发掘出一尊一米多高的佛像。1979年，考古队在这里发现了木质的浮雕佛像和饰有莲花的长柄铜香炉等一批佛教文物，这可以说明古楼兰人是笃信佛教的，这批文物对于研究印度佛教东渐，具有非常重要的意义。
楼兰遗址及其周围出土了大量的丝绸，毛、麻、锦、绢等织品、渔猎工具，兵器。玉器容器、日用品和汉晋时各种中外古钱币。遗物中以丝织品最引人注目，1980年，考察队在城址周围搜集到一批东汉丝织品，其中一件“长寿明光”锦。在靛蓝色的地上加上褐、黄，绿三色，在攀枝花纹和兽纹中央织着吉祥语，堪称东汉织锦中的精品。这些文物证明了古楼兰又是丝路古道上一座繁华发达的商业城市。
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