帖木儿帝国在经济发展的基础上，吸收不同民族的优秀文化成果，交融汇合，展现了具有突厥特色的文化新貌。在沙哈鲁和兀鲁伯统治时期，采取提倡、保护和赞助学术文化的政策，东、西方的学者、诗人、工匠云集于撒马尔罕和赫拉特等城市，从事科学研究和著书立说，在文学、诗歌、绘画、建筑、史学、天文学、语言学等方面都有建树。

在文学上，出现了著名的诗人哈菲兹、贾米、纳瓦伊等，他们的作品在伊斯兰文化史上占有重要地位，驰名世界。在绘画上，将波斯细密画达到高超的水平，形成了各具独特风格的赫拉特派和撒马尔罕派。在建筑上，将波斯、阿拉伯同突厥建筑风格融为一体，呈现出突厥民族特色。所建造的加米清真寺、古尔·埃米尔陵墓及宫殿、宗教大学、天文台，巍峨完美，装饰华丽，雕镂精湛，色调明快。

在天文学上，兀鲁伯在撤马尔罕建造的天文台和编制的《兀鲁伯天文表》，是16世纪以前著名的天文台和精确度最高的天文表。

在史学上，哈菲兹·拉卜鲁编定的 《历史精华》记述了沙哈鲁与中国明王朝通使的详细经过。阿卜杜·拉扎克撰定的《沙哈鲁史》记述了帝国许多重大历史事件，具有重要的史料价值。在波斯语言文学的影响下，形成了"突厥文化"，察合台语言发展起采，并用突厥语创作诗歌和文学作品。

帖木儿帝国的大多数统治者均喜爱文学艺术，素丹沙哈鲁、兀鲁伯、侯赛因·拜哈拉均为著名的学者和科学家。被后世学者赞誉为"伊斯兰科学和艺术的伟大保护者"。