在20世紀初掀起中亞探險熱潮中，來自普魯士、法、英、俄等國的探險隊在中國吐魯番盆地及庫車等地發現大量古寫本殘卷並將其帶回各自的國家。其中有已知的健馱邏語、安息語、古波斯語、粟特語、和田塞語等，此外還發現一批用源於印度的婆羅米斜體字母書寫的不為人知的語言，後來證明與最早1890年英國軍官鮑威爾(Bower)在庫車發現一種寫在樺樹皮未知文字屬於同一種語言，時間大約在6～8世紀之間。
德國語言學家濟格（E. Sieg）和濟格林（W. Siegling）對此進行了深入的研究並獲得解讀上的突破。語言有東西兩種方言，人們起初不知道這種語言的名字，德國語言學家繆勒在吐魯番出土的吐火羅語劇本《彌勒會見記》（講述佛教中未來佛彌勒的生平故事）的回鶻文譯本中找到了證據，說明這種語言被古代回鶻人稱為「Twghry」語，他認為Twghry即Tokhari-吐火羅語，兩種方言就被叫做吐火羅A（焉耆語）、吐火羅B（龜茲語）。
據考釋，吐火羅語屬於印歐語系並構成一個獨立的分支，和臨近的其他印歐語系語言（印度語族和伊朗語族）都有著相當大的差距。
印歐語系下的語言經常劃分為K類語言和S類語言。K類語言又稱為顎音類語言（Centum），S類語言又名噝音類語言(Satem）。K類語言得名於拉丁語中表示一百的詞centum，其特點是保留了原始印歐語的／K／音；S類語言得名於阿吠斯陀語中表示一百的詞satum，其特點是把原始印歐語中的軟顎塞音／K／變為齒齦清擦音／S／。K類語言包括拉丁語、希臘語、義大利諸語言、凱爾特諸語言、日耳曼諸語言，以及西臺語和吐火羅語。S類語言包括波羅的諸語言，斯拉夫諸語言、阿爾巴尼亞語、亞美尼亞語和印度-伊朗諸語言。長期以來，K類語言被看作構成西部語群，而S類語言構成東部語群。
吐火羅語是分布最東的印歐語，卻屬於K類語言，使人們認識到K類和S類印歐語的地理分布不像早先想像的那樣簡單。
西藏象雄王朝時代使用的象雄語屬於漢藏語系，故網絡上流傳的關於吐火羅語即為古象雄語的說法皆為謠傳。
北京大學林梅村教授、加拿大蒲立本、美國漢學家梅維恆等學者研究後發現，漢語中有很多詞彙來自吐火羅語：
漢語「蜜」字來自焉耆語 「myat」、龜茲語 「mit」。漢語「沙門」來自龜茲語 「samane」漢語「沙彌」來自龜茲語 「sanmir」漢語「佛」最早來自龜茲語「pud」（季羨林）漢語「獅子」來自焉耆語 sacake漢語「崑崙」來自焉耆語 klyom，龜茲語 klyomo漢語「翕候」來自焉耆語 yapoy，龜茲語 ype （土地）研究還發現了講吐火羅語的古代民族還有的月氏人等，以下為吐火羅語在天山南北的分布情況：
西部方言，或B方言，流行於庫車-古龜茲王國。中部方言，流行於焉耆-古焉耆王國。東部方言，或A方言，流行於吐魯番--古車師王國。月氏方言，流行於哈密北巴裡坤草原-古月氏部落。樓蘭方言，流行於塔裡木盆地東部--古樓蘭王國。由下圖可見焉耆、龜茲、車師、樓蘭的位置與地理分布。
那麼講吐火羅語的印歐語居民都是什麼樣的一些人呢？
龜茲文明可以推溯到青銅器時代。在距今3000-4000年以前，也就是中國的夏商時期，這裡便已經存在了一批來自西方的居民，上世紀80年代，著名的考古發現「樓蘭美女」，以及其後不斷被發現的墓葬遺骨，都印證了這一說法，塔裡木盆地地區最早的原住民，是長顱、高鼻、深目、薄唇、白膚操吐火羅語的歐羅巴人種民族。後逐步分散在龜茲、焉耆、吐魯番、樓蘭等地，建立起城邦國家，並跟北方阿爾泰語系民族、漢藏語系蒙古人種居民發生融合。
我們知道印度雅利安人、古波斯人也都是亞洲古老的印歐人。此外，在西亞幼發拉底河支流的卡布爾（Khabur）河畔（今 敘利亞地區）公元前15世紀到13世紀存在一個叫做米坦尼的古國，該國人民的主體是不屬於印歐人胡裡安族，而王族根據名字判斷屬於印歐人。
考古發現了他們與同時期該地區另一古國西臺王國籤訂的和平協議銘文。籤署時間約在公元前14世紀，銘文提到了米坦尼王族崇拜的神的名字。從下面表格可以看出新疆操吐火羅語的古代居民和印度雅利安人、古波斯人及米坦尼王族信奉共同的神祇，同時也證明了語言上的聯繫。
月氏部落早期生息地即在圖中蒲類湖（今巴裡坤湖）附近，而左側所注「大月氏」是其後來遷過去的。這裡有必要進一步說明。《史記·大宛列傳》 記載「始月氏居敦煌祁連間」 。前文已註明崑崙山之名就來自吐火羅語klyomant（意為神聖的，不同轉寫略有區別）漢代譯作 「祁連山」、唐代譯作 「祁羅漫山」，先秦和西漢時期的崑崙山指的就是巴裡坤附近的東天山。《史記·大宛列傳》 記載「始月氏居敦煌祁連間」 。這裡的祁連山同樣是來自吐火羅語Klyomant並實指的東天山。敦煌也不是後來的敦煌郡（即今甘肅敦煌），而可能即《山海經》的「敦薨」和《漢書·西域傳》提到的「單桓』』，也在巴裡坤草原。
西北大學王建新教授主持的考古已經在這裡發現月氏和匈奴的王庭遺址（東黑溝），提供了考古學的證據。月氏後來就是被匈奴打敗而被迫西遷的。甘肅祁連山脈一帶至今未發現任何相關的文化遺存也間接證明了這一點。
吐火羅一詞很早就在西方被指稱地理上阿富汗東北部地區。公元前140年前後，斯基泰等遊牧民族四部Asii, Pasiani, Tochari, Sacarauli 聯合滅掉希臘巴克特裡亞王國建立政權，《史記》稱為大夏。據研究，大夏可能是四部落主要力量Tochari的對譯。史書也提到Asii是Tochari的王族，並在佔領首府藍氏城過程中戰勝了Sacarauli。吐火羅也是Tochari的對譯。此時起，西方文獻稱此地為吐火羅斯坦-Tokharistan。
130BC前後，大月氏南渡阿姆河，攻敗大夏諸部，並設休密、貴霜等五翕候（即上面源於吐火羅語詞彙之一）治其地，有趣的是講吐火羅語的大月氏來到這裡之前，這一區域已經就成了"吐火羅斯坦"。玄奘翻譯成「睹貨邏國」，說明也是其後很長時間這裡居民對自己家園的稱呼。
時間不長，貴霜統一了五部翕候，推翻大月氏宗主，後來發展為強大的貴霜帝國。貴霜王族一種可能是大月氏人，但更可能的是來自建立大夏的遊牧四部之一的Pasiani(為Gasiani之誤拼）,即貴霜Kushan是Gasiani同一部落名的不同叫法與拼寫，這樣他們就是講吐火羅語的印歐部落，而不屬於斯基泰（即中國所說的塞種，操東伊朗語印歐人）系統。後來的貴霜一直被中國稱為：「大月氏」。
在這一區域，目前尚沒有吐火羅語曾被使用及流行的證據，而我們已知這一時期的官方語言是Bactrian：一種用希臘字母書寫的東伊朗語，中文可以翻譯為大夏語，或許這才是這裡的原住民和Tochari部落的母語，但吐火羅語這個名字卻一直沿用至今。