Desde aquí, el viaje a Lop Nor siguió la antigua ruta de las
caravanas, permitiéndole registrar una serie de yacimientos
en Domoko, el río Niya y Miran. El 1 de febrero de 1914 se internó
en el desierto sin agua, hacia el norte, dirigiéndose a Loulan,
una nueva ruta. Siguiendo la antigua línea fronteriza descubierta
durante la segunda expedición, llegó otra vez a Dunhuang al
acabar marzo de 1914. Continuó sin problemas la línea hacia
el este durante otras 250 millas, hacia el río Etsin Gol. En mayo
llegó a Karakhoto, que identificó con la ciudad de “Etzina”, descrita
por Marco Polo, que había tomado el mismo camino en el siglo XIII.

En junio de 1914, Stein tuvo que detener su trabajo
en la zona del desierto a causa del calor asfixiante,
orientando su atención a la cordillera Nanshan. En septiembre emprendió un
viaje de 500 millas por caminos no cartografiados directamente por las montañas
de la cordillera Beishan hacia la más oriental Tianshan. El viaje por su ladera
norte le llevó a conocer una parte de Dzungaria. Excavó en algunos lugares cerca
de Turfan, en el norte de la Ruta de la Seda, especialmente en Astana y Bezeklik.

En junio de 1915, Stein regresó a Kashgar. Luego inició un viaje de tres
meses durante el cual cubrió aproximadamente 1.700 millas a pie o
a caballo cruzando el Pamirs e internándose en el Turquestán
ruso. Entró en Samarkanda en octubre de 1915. Desde aquí
llegó a la frontera persa en tren, y viajo a lo largo de la
frontera entre Persia y Afganistán. Llegó a Sistan a principios
de diciembre de 1915. Allí empezó su tercer invierno de campaña
arqueológica, en el antiguo Sakastán. Entre las extensas ruinas de un palacio en la
aislada colina rocosa de Koh-i-Kwaja, descubrió los restos de pinturas sobre muro, las más antiguas
sacadas a luz en Irán. Algunas de ellas de estilo claramente helenístico, fechadas probablemente en
los tiempos partos, e ilustran el enlace iraní entre el arte grecobudista del noroeste de la India y el arte
budista de Asia Central. Otro descubrimiento interesante en la misma área fue una cadena de torres de vigilancia
que forman la exacta respuesta al limes Han chino (frontera defensiva), y fechables en el período parto. Stein regresó
a India en marzo de 1916.

Los resultados detallados de esta expedición, Asia interior, se publicaron en 1928.

La tercera expedición a Asia Central
fue la más larga de todas. La ruta
elegida para acometer el desierto era
nueva, llevándole a los territorios montañosos
de Darel y Tangir, mencionados en los
relatos de los peregrinos chinos pero nunca
antes visitados por un europeo. Desde
Kashgar, viajó al este al pie de la montaña
de Tianshan, y luego hacia el sur
cruzando el desierto de Taklamakán.
Durante el recorrido hizo útiles
observaciones sobre las antigüedades
antes de de llegar al oasis de
Khotán en noviembre.