中国科学院吐鲁番沙漠植物园园址位于新疆吐鲁番市恰特卡勒乡、亚尔乡和艾丁湖乡交汇处。原始地貌为大面积的流沙和风蚀地，面积达6000公顷。建园之前，这里曾是寸草不生的沙荒地，风沙危害严重。每年春季的大风及沙尘暴给当地的工农业生产带来巨大的损失。植树造林，防风治沙，改善环境，成了当地社会经济发展所面临的急迫需求。
      1971-1972年，中国科学院新疆生态与地理研究所（原中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所）科研人员应当地人民政府的要求，与新疆吐鲁番地区林业工作站的科技人员一起，成立了吐鲁番治沙站，开始对该地区大面积的沙害进行全面治理。并得到了国家科委和农林部“西北黄土高原和沙荒大面积植树造林技术的研究”项目的经费资助。
      通过实地考察和国内调研，针对吐鲁番地区的气候、土壤和风沙危害特点，科研人员从中国西北各沙区广泛引种具有抗风、固沙和耐旱特性的各种乔、灌和草本植物，利用当地冬季的坎儿井农闲水进行灌溉造林试验。经过多次探索和试验，首次建成了以优良固沙植物沙拐枣、胡杨为优势植物种的大面积防风固沙片林和农田防护林网体系，面积近2000公顷，有效地降低了当地的风沙危害，取得了显著的生态效益。在广泛引种固沙植物的同时，为了对治理后的大面积沙荒地进行高效开发利用，还引种油莎豆、红花、越南芝麻和瓜儿豆等沙地经济植物，开展品种筛选、种植栽培、综合利用等研究工作，在吐鲁番地区建成了600公顷的新绿洲，产生了明显的经济效益。这里成了中国沙漠化治理的重要成果示范基地，引起了国内外和广泛关注。
      1975年，为了巩固和推广已经取得的防风治沙和沙生植物引种研究成果，深入开展固沙植物的引种、繁殖、选择以及生物生态学特性的研究，由新疆生物土壤沙漠研究所、新疆八一农学院林学系、吐鲁番县林业站和吐鲁番红旗乡治沙站4个单位联合规划，在已营建的大面积固沙人工灌木林中，划出7公顷土地筹备建设了“沙漠植物系统标本园”和约2公顷的引种实验苗圃，主要以国内荒漠区木本植物为引种收集对象，开始了沙漠植物园的引种、研究与建设前期工作。
      1976年，正式开展了沙漠植物园基础设施建设和科学研究工作。新疆生物土壤沙漠研究所投资新建了科研和生活居住区。在此基期间，吐鲁番沙漠植物园走上了“以科研促建园””的发展模式。依托吐鲁番沙漠植物园完成的“吐鲁番优良治沙植物（乔、灌、草）引种及选择试验研究”、“沙生乔灌草固沙造林试验研究”和“吐鲁番大面积固沙造林试验研究”等研究课题取得了重大成果，分别获得了国家科技大会、中国科学院、国家林业部和新疆维吾尔自治区的多次奖励。至1980年，通过项目的拉动，引种成功沙漠植物80余种，定植67种，沙漠植物园大致成形。1982年，又得到了中国科学院生物学部重点课题“优良固沙植物引种驯化研究”的资助。在项目执行过程中，植物种类数量继续得到补充。项目结题后，沙漠植物园已定植各类沙漠植物176种，植物园面积扩大为15公顷。
      丰硕的成果和不断创新的科学研究工作为吐鲁番沙漠植物园的建设和发展带来机遇。1985年，根据中科院生物学部宋振能常务副主任视察后的建议，在吐鲁番市人民政府和恰特卡勒乡人民政府的大力支持下，获得了土地证，植物园面积增至140多公顷。
      1989年，中国科学院召开了第三次植物园工作会议，恢复了中国科学院植物园工作委员会，并制定出中国科学院植物园“八五”发展规划，明确了院属植物园应以科研为主，科研、建园、科普及开发全面发展的方针，中国科学院植物园恢复了在中国植物园界的重要地位。吐鲁番沙漠植物园作为中国科学院系统的植物园之一，在院协调局（生物局）和院植物园工作委员会的重视、组织、协调和支持下，与院属其它兄弟植物园一起，多次获得中国科学院的专项建园经费支持和科研工作上的指导。沙漠植物园完善了道路系统、灌溉系统及配电系统等基础设施建设，建成了新的实验办公大楼和客座专家公寓，扩建了植物标本室和科普陈列室，植物园园貌和科研工作条件有了明显的改善。

1994年正式加入国际植物园保护联盟（BGCI）；1999年，被命名为“全国科普教育基地”及“全国青少年科技教育基地”；2004年被授权实施“生物多样性保护议程”中有关植物引种、环境保护及可持续利用的内容；2006年被国家旅游局授于国家AAA级旅游景点。

2007-2010年，植物园得到了中国科学院战略生物资源保存与可持续利用专项和院三期创新特支费的支持，通过创新工程的实施，吐鲁番沙漠植物园在植物种质资源迁地保护数量、植物园基础设施建设、特色专类园景观优化、荒漠植物引种繁育和生物学信息数据库、植物园科学文化知识传播及国际学术交流合作、人才队伍建设等方面取得了重大进展。

2010-2020年以来，在中国科学院“战略生物资源科技支撑体系运行专项”、“中亚生物多样性调查与研究”以及研究所所长基金项目“荒漠区植物种质资源保存研究及吐鲁番植物园景观优化”等项目的支持下，植物园在物种收集保存、科学研究、园林景观改造优化和科普教育等方面都取得了较大进展。先后完成了荒漠区经济果木专类园的景观改造优化以及相关基础设施完善和植物补充配置；完成了观赏禾草园的建设和相关植物物种的收集保存，建成了具有种质资源收集保存功能，又有明显区域景观特色的专类园；完成了民族药用植物专类园的植物物种补充和景观优化、部分灌溉设施和园林小品的建设，重点对现有药用植物的数量扩繁，形成了有观赏价值的群体景观；初步完成了补血草专类园、甘草专类园等园区的建设和相关物种的收集保存。使植物园收集保存的物种数量达到了近800种。此外，还完成科普馆的建设和布展。建成了具有明显地方特色的科普馆。使植物园的科普教育能力和对外显示度有了极大的提高。在国家财政部基础设施改造和房屋修善费、院野外台站建设费、相关项目经费和所经费的支持下，新建了860平米的专家公寓、1005平米的综合楼、北园大门和南园大门，对原有的实验楼、职工食堂和会议室进行了整体改造和装修，对南园大门周边环境进行了彻底改造。通过上述建设和改造，使植物园住房、办公和实验条件得到了很大的改善，园林景观效果有了极大的提升，也为开展国内外交流提供了更好的平台和条件。

吐鲁番沙漠植物园从无到有，经历了48年的创业历程，现成为中国植物学会植物园分会常务理事单位、中国环境学会植物园保护分会团体会员、新疆植物学会常务理事单位和新疆风景园林学会理事单位。在荒漠植物的保护生物学研究、特殊植物遗传资源保护、干旱区受损生态系统恢复与重建、荒漠植物资源开发利用、公众环境教育等方面有良好的基础，已经成为中国植物园体系中的重要组成部分，是中国植物园、乃至世界上具有鲜明特色植物园，中国温带荒漠植物迁地保护的种质资源库，荒漠植物多样性科学研究基地，荒漠植物科学的教学、科普以及生态旅游基地。