楼兰国的远古历史，至今尚不十分清楚。楼兰名称最早见于《史记·匈奴列传》，据史书记载，大约在公元前3世纪时（相当于我国秦朝初年），楼兰就已建立了国家，以经营粗放的农业和畜牧业为主，并受月氏王的统治。大约在公元前177年至前176年间，匈奴冒顿单于派右贤王向月氏发动了一场大规模的进攻，打败了月氏，迫使其余众越过天山，向伊犁河流域迁徙。原月氏统治地区为匈奴所占，匈奴奴隶主贵族确立了在西域的统治地位。据《史记·匈奴列传》载，汉文帝六年（前174年），匈奴冒顿单于致书汉文帝说：“以天之福，定楼兰、乌孙、呼揭及其旁二十六国，皆以为匈奴。”楼兰在摆脱了月氏统治后，又为匈奴统治。匈奴在西域置僮仆都尉，楼兰和西域诸国被迫向其交纳赋税。但匈奴“虽能得其马畜旃，而不能统率与之进退。”
汉时的楼兰国，有时成为匈奴的耳目，有时归附于汉，玩弄着两面派的政策，介于汉和匈奴两大势力之间，巧妙地维持着其政治生命。由于楼兰地处汉与西域诸国交通要冲，汉朝不能越过这一地区打匈奴，匈奴不假借楼兰的力量也不能威胁汉王朝，汉和匈奴对楼兰都尽力实行怀柔政策。
汉武帝初年，汉朝为了解除北方劲敌匈奴的威胁，派张骞出使西域，藉以联络月氏、大宛、乌孙等西域诸国，共击匈奴。张骞的出使，虽然没有达到预期目的，但却加深了汉朝和西域诸国的相互了解。此后，汉武帝又不断派使联络西域，汉使的频繁往返，都要路经“当道”的楼兰等国，匈奴居间挑拨，并与楼兰多次劫掠汉使，阻断丝路交通。于是楼兰成为汉朝通往西域，控制丝绸之路的必争之地。从此，汉、匈在西域的争夺，多次围绕着楼兰而展开。
张骞通西域后，汉武帝多次派遣使者出使西域诸国。这些使者通过楼兰的时候，楼兰由于不堪沉重的负担，以至杀戳汉朝使者。
向导是楼兰国内的重要劳役，专门担任过往使者、商人、僧侣的向导，并为他们提供骆驼、水和粮食。在楼兰国，担任向导的人都是世袭的。因为向导的工作非常辛苦，又没有太多的钱，所以楼兰国常发生向导逃跑的事情。
汉武帝元封三年（前108年），汉武帝命从骠候赵破奴领兵攻打楼兰车师，并令王恢辅佐。王恢先前出使西域，多次受到楼兰王劫掠。赵破奴假装先要攻打车师，暗中率领轻骑700先攻楼兰，出其不意地俘虏了楼兰王，楼兰开始归汉。
匈奴听说楼兰归顺汉朝，便发兵击之，楼兰无奈，只好两面应付，分别向匈奴、汉朝各遣一质子，表示在匈奴、汉之间严守中立。
太初元年（前104年），汉武帝为了得到汗血宝马，派遣李广利率大军讨伐远方的大宛国。匈奴指示楼兰王伺机拦劫。汉军从俘虏口中得知这一消息后，即呈报朝廷。汉武帝再次派兵讨伐楼兰，直逼首府扞泥城，楼兰王大恐，立刻打开城门谢罪，被解送长安。汉武帝责问楼兰王为什么通匈奴？答曰：“小国在大国间，不两属无以自安，愿徙国入居汉地。”汉武帝对他实话直说表示赞许，体谅到小国的苦衷，便下令护送其回国，并要求楼兰侦察匈奴的动静。
汉征和元年（前92年），楼兰王死，其国派人来到汉朝，请求汉朝放还质子，欲立为王。但因楼兰质子在长安犯法，已经被处以宫刑。汉朝不想让楼兰国知道，怕借口皇帝喜欢质子，不予放还，楼兰只好更立其王。继任的国王向汉朝和匈奴又各派了一个质子。嗣王几年后又死了，匈奴首先得知这一消息，立刻将嗣王在匈奴的质子安归遣送回国，立为新国王。汉朝后来才听说消息，召新国王安归到长安，说有赏赐，想诱新立国王至汉廷，扣作人质。因为前面已经有两位楼兰王子被扣在长安没有回国，新国王安归自然不敢来长安。安归由于生活在匈奴多年，故亲匈奴而远汉，并多次勾结匈奴拦阻杀害汉朝使节。
汉昭帝元凤四年（前77年），平乐监傅介子对大将军霍光说：“楼兰、龟兹数反复而不诛，无所惩艾。介子过龟兹时，其王近就人，易得耳，愿往刺之，以威示诸国。”（《汉书·傅介子传》）。霍光同意傅介子在楼兰试一试。元凤四年（前77年），傅介子与部下带着金币，来到楼兰。楼兰王安归对傅介子一行相当冷淡，并没有接见。傅介子便假装要离开楼兰，去其他西域国家。到了楼兰西部边境界，派翻译去向楼兰王安归传话：“汉使者持黄金锦绣行赐诸国，王不来受，我去之西国矣。”并拿出金币给翻译看。翻译回去向楼兰王报告。楼兰王贪图汉朝财物，便赶来会见使者。傅介子与楼兰王同坐饮酒，把财物拿出来让他看。酒喝得差不多了，傅介子故意对楼兰王说：“我们汉朝皇帝派我来，有秘密要告诉国王。”楼兰王相信了，站起来跟随傅介子进入帐中密谈。事先埋伏的两命壮士从背后用剑刺楼兰王，剑刃穿出胸前。楼兰王当场死去。国王的侍从人员都吓得逃散。傅介子向楼兰宣告：“王负汉罪，天子遣我来诛王，当更立前太子质在汉者。汉兵方至，毋敢动，动，灭国矣！”楼兰上下惧怕汉朝的军威，没有引发动乱。
忠于匈奴的楼兰王安归被杀后，汉朝立在一直汉朝当质子的楼兰前国王之弟尉屠耆为王，并赐汉宫女给尉屠耆为夫人，并更其国名为鄯善。尉屠耆因久居长安，感到在楼兰国内势单力薄，生怕为前王之子谋害，特意上书请求汉朝派吏士屯田鄯善的伊循城（今若羌县米兰），做为其后盾，并将国都南迁至士泥城（今若羌县城附近）。
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