1900 májusában Srinagarból indult Kelet-Turkesztán felé. Átkelt a Karakorum magas hágóin, leereszkedett a Pamír kínai oldalán és július végén Kasgárban volt. Innen szeptember elején indult tovább a Takla-Makán sivatag déli peremén az egymást követő oázisvárosokon át Khotánba. A Kunlun ismeretlen hegyláncait és a Jurung-kás folyó forrásvidékét térképezte fel. Kelet-Turkesztán homoksivatagjaiban ásatásokat végzett a Sven Hedin által felfedezett romvárosokban. Értékes gyűjteménnyel 1901. május elején ért vissza Kasgárba.

Második expedícióján 1906 és 1909 között a Tarim-medencét és a Kunlun láncait tanulmányozta. A Lop-nór sivatagot északkeleti irányban szelte át. Ősi kínai határfalakra bukkant, őrtoronyról-őrtoronyra haladva nyomozta a fal egykori futását. A tunhuangi „Ezer Buddha Barlangban” kéziratok, festmények, szobrok, régészeti emlékek valóságos kincseskamrájára bukkant. A barlangokra Lóczy Lajos hívta fel Stein figyelmét, aki gróf Széchenyi Bélával már 1879-ben járt ott. Stein érdeme, hogy a barlangok pontosabb feltérképezésén kívül rábukkant egy olyan elfalazott cellára, mely egyes források szerint 40 000 darab jórészt V-X. század közötti több nyelvű kézirattekercset tartalmazott. Köztük a világ máig ismert legrégibb 868-ban, táblanyomtatással készített, „Gyémánt Szutrára”. Stein az általa elhozott 24 láda kéziratért, öt láda festményért és más műkincsekért az akkori körülményekhez képest jelentős összeget fizetett Wang szerzetesnek a barlangok restaurálására.

Harmadik kutatóútja szintén a Tarim-medence területére vezetett. Ekkor végzett feltárásokat a bezikliki barlangokban.

Expedíciói során 100 000 km², korábban ismeretlen területet térképezett fel, felismerte a Lop-nór vándorlását, régészeti kutatásait a komplex, interdiszciplináris természettudományos szemléletmód jellemezte.