A XIX. század utolsó éveiben, az akkor Kelet- vagy Kínai-Turkesztánnak nevezett területről, egyre nagyobb mennyiségben kerültek elő ismert és ismeretlen írású kéziratok, valamint egyéb régiségek, amelyek a tudósok körében nagy érdeklődést váltottak ki, származásuk azonban kétséges volt, nem lehetett tudni honnan, melyik lelőhelyről származnak. Stein Aurél első expedícióján ezért célul tűzte ki, hogy módszeres régészeti kutatásokat folytasson e területen. 1900-1901 közötti első útján Khotan környékén végzett ásatásokat. Már ezen az első nagy expedícióján megfigyelhető az a sokoldalúság, ami minden kutatóútját jellemzi: az ásatások mellett foglalkozik a terület földrajzával, az ott élő népek antropológiai és néprajzi leírásával, nyelveivel, s nem utolsósorban céljai közt szerepelt az is, hogy „a még fel nem térképezett, vagy hiányosan felvett területeket a biztosabb kartográfiai ismeretek körébe bevonjam”.

A sikeres első expedíció után öt évvel ismét útra kelt, hogy már nagyobb területen tárja fel annak az ősi kultúrának a nyomait, amely az indiai, a kínai és a klasszikus nyugati keveredéséből és egymásra hatásából alakult ki Kelet-Turkesztánban. Az 1906-1908 közötti második kutatóút több mint harminc hónap terepmunkát jelentett, a megtett út hossza meghaladta a tizenhatezer kilométert.

1906 áprilisában indult az indiai határszélrőll, majd Szvát, Dir Csitrál és Masztúdzs területén áthaladva történeti és etnográfiai adatokat gyűjtött. A Darkót hágón (4700 méter) át, annak gleccserén leereszkedve annak a tang-kori annalesekben megörökített katonai expedíciónak az útvonalára igyekezett fényt deríteni, amelyik 747-ben egy kínai tábornok, Gao Xianzhi vezetésével kelt át a Pamíron és a Hindukuson, és ereszkedett le Gilgit területére. Stein Afganisztán királya engedélyével Váhán területén és az afgán Pamíron szabadon átvonulhatott, majd Kásgarban barátja, a terület angol rezidense, Sir George Macartney (1867-1945) házában pihent meg, s ott fogadta fel titkárául a kínai Jiang Siye-t, akinek szolgálatairól és tudományos segédkezéseiről mindig oly nagy elismeréssel nyilatkozott a későbbiekben.

Kásgarból Járkand érintésével ment Khotanba, majd a nyár folyamán a Kunlun térképezetlen magas övezeteibe. Ezt követően Khotan környékén még addig nem ismert romhelyeket kutatott át. Utána visszatért Nijába, ahol már az első expedíció alatt is jelentős leleteket gyűjtött. Itt újabb kharósthí írásos emlékeket talált, ezen kívül használati tárgyak, textilmaradványok és faragott épületdíszek jutalmazták az ismételt, alaposabb kutatást. Innen útja Csarcsanon át Csarklikba vezetett, s felkészült egy régóta tervezett felfedezőútra a Lóp sivatagba, Loulan romjaihoz, melyeket a híres svéd geográfus, Sven Hedin (1865-1952) fedezett fel. A nagy számban előkerült írásos emlékek bizonyították, hogy Loulant a Kr.e. második század végén alapították egy fontos útvonal ellenőrzésére szolgáló kínai katonai állomáshelyként.

1907 januárjában a miráni romhelyet kereste fel, s a hidegben és a szüntelen erős szélben végzett három hetes munkát siker koronázta: a nagy romos erődből, amely a 8. században egy tibeti helyőrség állomáshelye volt, mintegy ezer tibeti nyelvű, fára és papírra írt, elsősorban hivatalos szövegeket tartalmazó (csapatmozgások, határőrsök stb.) kéziratot talált. Ennél jóval régebbiek és érdekesebbek voltak azonban azok a művészeti emlékek, amelyek a közeli buddhista szentélyből kerültek elő. A nagyméretű stukkó domborművek a görög-buddhista szobrászattal való rokonságot példázták, a falfestmények, köztük gyönyörű szárnyas angyalok, a hellenisztikus festészet hatásáról tanúskodtak. Februárban továbbindult kelet felé azon az úton, melyet Marco Polo, és korábban Xuanzang, a 7. századi kínai buddhista szerzetes is használt, útjának célja: Dunhuang. A Szuloho végső szakaszán, ahol a folyó belevész egy sós mocsárba, őrtornyokat vett észre, és hamarosan felismerte, hogy egy ősi fal részeit fedezte fel. Mivel a római határok őrzésére szolgáló falakra emlékeztette, limesnek nevezte el. Két hónap alatt mintegy 220 km hosszúságban felmérte a határfalat, s megtalálta a Jadeit-kaput (Yumen). Az előkerült mintegy kétezer kínai dokumentum között datáltak is voltak, így kiderült, hogy a Han-korban épült a fal azzal a céllal, hogy az észak felől betörő hunokkal szemben nyújtson védelmet.

Az őrtornyokból és a határfal mellől nemcsak a katonai adminisztrációról képet adó dokumentumok, hanem igen jó állapotban megőrződött használati tárgyak, ruhadarabok stb. kerültek elő, melyek egy nagyon szemléletes képet adnak arról a mindennapi életről, amely ezen az elhagyott határszakaszon folyt. De egyéb érdekességek is fennmaradtak a kereskedelmi útvonalak révén, pl. mintegy tucat régi szogd nyelven írt levél.

Miután májusban befejezte a határfal vizsgálatát, Stein egyre nagyobb izgalommal indult a következő cél felé: az Ezer Buddha barlangokhoz.