Después del extenuante trabajo en Dunhuang, Stein siguió camino hacia el oasis de Anxi. Aquí visitó los templos cueva de los Diez Mil Budas (Wanfoxia) donde hay muchas menos cuevas pero los frescos son tan hermosos como los de Qianfodong.

A continuación empezó su examen cartográfico en Nanshan, seguido de una segunda temporada de excavación invernal en la llanura de Tarim. De Anxi a Karashahr, a una distancia de 1400 kms., siguió la ruta comercial y militar del período Tang, sostenida por China para entrar en contacto con Occidente. En Hami y Turfan describió lugares importantes. En diciembre empezó a investigar los santuarios budistas de Ming-oi, al sudoeste de Karashahr.

Tras visitar Kuchar cruzó el Takla Makan de norte a sur apuntando hacia donde el río Kerija se diluye en la arena. Era una iniciativa arriesgada. En 1896 el geógrafo sueco Sven Hedin hizo el mismo camino desde el sur, al extremo del Kerija, pero él podía estar seguro de llegar al río Tarim, perpendicular a su ruta. En el caso de Stein, no obstante, todo dependía de que pudiera mantener la dirección y la expedición encontrara en el tiempo justo algún abastecimiento de agua. Al fin, aunque con una mínima reserva de agua, alcanzaron con bien el río helado.

Tras cruzar el desierto –cosa que era de capital importancia para su labor cartográfica–, Stein inició una nueva investigación arqueológica en Karadong. Más tarde desenterró una serie de pequeños santuarios budistas. Entre Uch-Turfan y Kelpin trabajó en un terreno no descrito en los mapas, descubriendo las ruinas de unas torres de vigilancia que testimoniaban que la ruta china hacia Kashgar debía pasar en esta dirección. Sin embargo, a causa del creciente calor tuvo que abandonar su trabajo aquí. Volvió a Khotan, donde el embalaje de los hallazgos le llevó seis semanas. Envió una caravana de cincuenta camellos con las valiosas cajas a India el 1 de agosto de 1908. Y más tarde partió con su supervisor indio a las fuentes del río Yurung-kash, tratando de penetrar desde el este en la por entonces inexplorada montaña. Tuvo que escalar las escarpadas peñas del Kunlun, de más de 6000 metros, para poder realizar la triangulación y las fotos panorámicas de las montañas alrededor del Yurung-kash. Mientras inspeccionaba el camino a través del Yangi-davan, el Nuevo Paso, sufrió un accidente. Los dedos de su pie derecho se congelaron y hubo que amputarlos. Fue conducido al cirujano de Ladak, donde la misión moravia de Leh le proporcionó asistencia médica. En enero de 1909 llegó a Budapest, desde donde partió a Londres.

La elaboración del ingente material que llegó sin problemas a los museos ocupó un largo tiempo. La descripción popular de la segunda expedición, las Ruins of Desert Cathay, se publicó en 1912. Los resultados eruditos de la expedición se recogieron en los cinco volúmenes de Serindia (1921).

La primera presentación privada de algunos objetos de la colección de Stein fue organizada con la participación del propio Stein en 1910 en el Museo Británico. La primera exhibición pública se organizó en 1914 con ocasión de la inauguración de la Galería Eduardo VII.

Más tarde Stein sería acusado varias veces de haber hurtado sus hallazgos. No obstante, él sólo pretendió salvaguardar en lo posible los objetos que descubrió y entregárselos al Museo Británico, donde iban a ser conservados profesionalmente y puestos ante los ojos de todos.

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