A dunhuangi megfeszített munka után Stein folytatta útját az Anxi oázis felé, s ellátogatott a Tízezer Buddha barlangtemplomaihoz (Wanfoxia), ahol jóval kevesebb barlang található, de falfestményeiknek szépsége vetekszik a Qianfodongban találhatókéval.

Ezután a Nan-sanban kezdett térképészeti felvételeket készíteni, majd következett a második téli ásatási szezon a Tarim-medencében. Anxitól Karasahrig 1400 kilométeren keresztül követte azokat a katonai és kereskedelmi útvonalakat, melyeken keresztül Kína a Tang-időktől kezdődően a Nyugattal érintkezett. Hámi és Turfán területén fontos ásatási helyszíneket vizsgált át. Decemberben a Karasahrtól délnyugati irányban fekvő Ming-oi buddhista szentélyeinél kezdett ásatásokat. Kucsár felkeresése után átszelte a Takla-makánt észak-déli irányban, arrafelé indulva, ahol a Kerija folyó elvész a homokban. Kockázatos vállalkozás volt ez. Sven Hedin, a svéd geográfus 1896-ban dél felől, a Kerija végétől indulva tette meg ezt az utat, s biztos lehetett abban, hogy eléri az ő útvonalára merőlegesen folyó Tarim folyót. Stein esetében azonban minden attól függött, hogy jól tartja-e az irányt, s belátható időn belül ivóvízhez jut-e az expedíció. Végül már erősen fogyó jégkészlettel, de még idejében elérték a befagyott folyót.

A sivatagi átkelés után, ami leginkább a térképfelvételek szempontjából volt érdekes, Stein Karadongban ismét archeológiai kutatásba kezdett. További útja során kisebb buddhista szentélyeket tárt fel, Ucs-Turfán és Kelpin közötti feltérképezetlen területeken dolgozott, ahol őrtornyok romjait fedezte fel, bizonyítékul arra, hogy a Kásgar felé vezető kínai út valaha arra haladt. A növekvő hőség miatt azonban munkáját be kellett fejezni. Visszatért Khotanba, ahol hat hétig tartott az ásatási eredmények becsomagolása. A ládákat szállító ötven tevéből álló karavánját 1908. augusztus elsején indította útjára India felé. Ezután indiai földmérője társaságában elindult a Jurung-kás forrásvidéke felé, s keletről kívánta megközelíteni az addig ismeretlen hegységet. A Kunlun 6000 méternél magasabb, meredek oldalgerinceire kellett felkapaszkodniuk, hogy háromszögeléssel és fotografikus körképpel felvehessék a Jurung-kás forrásvidékét környező hegyeket. Amikor a Jangi-davánon, az Új-hágón át vezető utat térképezte fel, baleset érte: jobb lábának ujjai lefagytak, aminek következtében azokat amputálni kellett. A műtéthez Ladakba kellett magát vitetnie, ahol Lehben, az ottani morva misszióban kapott orvosi ellátást. 1909 januárjában érkezett Budapestre, majd onnan utazott tovább Londonba.

A hatalmas anyag feldolgozása, amely sértetlenül megérkezett a British Museumba, hosszú időt vett igénybe. A 2. expedíció népszerű leírása, a Ruins of Desert Cathay 1912-ben jelent meg. Az öt kötetes Serindia (1921) foglalja össze az expedíció tudományos eredményeit.

A Stein-gyűjtemény néhány darabjának első zártkörű bemutatójára – Stein részvételével – 1910-ben került sor a British Museum-ban. Az első nyilvános kiállítást a VII. Edward Galéria megnyitása alkalmából rendezték 1914-ben.

Stein Aurélt a későbbiekben több támadás érte a leletek elszállítása miatt. Az ő szeme előtt azonban mindvégig az a cél lebegett, hogy a feltárt emlékekből minél többet megmentsen és olyan múzeumi környezetbe juttasson, ahol azokat szakszerűen kezelik, megóvják és mindenki számára elérhetővé teszik.

.