体规模在考古发现中有所体现，其总面积约为38万平方米，分为外城、内城及高台城址。外城、内城平面呈不规则长圆形。
乌垒城的城墙经过三次大的修筑、改建，主体年代在两汉时期。城墙基宽底部宽达25米左右，根据推算城墙的高度应该在八米到十米之间，建筑使用大型土坯砖，尺寸为45x25x15厘米，且规格统一，这表明营建过程需要动用大量人力，并有相对统一的工程管理。
两汉时期，乌垒城虽人口不多，但其地理位置重要，城池规模较大，城墙结构坚固，是当时西域的政治、经济、文化和军事中心。
在西汉时期，大汉无比重视西域，汉宣帝神爵二年在此设西域都护府，名为乌垒城，是当时汉朝管理西域三十六国的政治、经济、文化和军事中心。西域都护由皇帝亲自任命，3年1替，从未间断，据《汉书》记载：西汉历任都护18人，其中立传可考的历史上着名的有郑吉、郑宣、甘延寿、段会宗、廉褒、韩立、郭舜、孙健、李崇、但钦等10人。
到东汉，在西域又建一城，名为龟兹，班超就是坐镇龟兹城统御西域。