斯坦因於12月中旬到達樓蘭，8年後的1914年，他再次來到樓蘭。他在樓蘭發現了許多類似於在尼雅發現的東漢織錦殘片，上麵的漢隸絡文分別有“韓仁”、“繡文丸者子孫無極”、“昌樂”、“長樂未央”、“益壽延年”、“登高明望四海”等字樣。其中“韓仁”錦是斯坦因在樓蘭的一件重要發現，這件紅地織錦的畫麵色彩穿插、風雲流動，是東漢織錦中的佼佼者。其中的動物形象神態各異，生動逼真。整個色調和諧精巧，富於變化。工藝精美，巧奪天工，其技術和藝術方麵都達到相當高的水準，充分顯示了東漢時期織錦的豪華和魅力。他還發現了一塊毛織地毯殘片，上麵的圖案和人像具有典型的羅馬風格，明白無誤地再次展示了中西文化在樓蘭地區很早就交彙融合的事實。
斯坦因在樓蘭發現了一個城堡，他認為是漢代衛戍之所。他還挖掘了一批古代墓葬，得到的隨葬器皿、織物、漢文文書等，數量非常可觀，令他眼花繚亂。特別是從一個垃圾堆中找到了大批中國官方文書，記載了軍事方麵的情況和商業社會的繁榮景象。同時，他發現的漢文文書還都標明著年代，說明這些文件是三世紀中葉書寫的。
最富戲劇性的一個細節是，斯坦因在樓蘭古城撿到了斯文赫定於1901年丟失的一個金屬卷尺。後來在倫敦英國皇家地理學會舉行的宴會上，斯坦因還將從遙遠樓蘭古國遺址帶回的這個卷尺，奉還了原主。
斯坦因之後，樓蘭不斷有重大發現，日本大穀光瑞探險隊成員桔瑞超，1909年來到樓蘭，獲得了著名的“李柏文書”。李柏是五胡十六國時期，前涼政權派到樓蘭的西域長史。這件文書是李柏於公元328年寫給焉耆等國國王的信函，其中有兩件很完整，是令斯坦因驚羨不已、求之不得的珍貴文書資料。
中國考古工作者後來也發現許多堆積於樓蘭城內廢墟的漢文木簡，大部分是魏晉時期西域長史府屬官和屯田將士所書寫的文書檔案殘件。這些木簡最早的寫於公元252年，最晚的寫於公元330年。說明魏晉時期，西域長史府仍在負責處理這一地區的行政、軍事事務。其衙署設在樓蘭城內，占據中心位置。說明西域長史府不僅是中央政權在塔裏木河下遊地區最高權力機構，而且也是魏晉兩朝在西域的前哨陣地。
除了這些寶貴的漢文文書，樓蘭出土的怯盧文木簡數量也多得驚人。斯坦因就曾把這批怯盧文木簡視為“一件驚人的大發現”。他寫道：“我簡直不敢想像，在遙遠的東方能得到這麼多古印度手寫體和文字寫成的記載。”於是，他也忽發奇想，居然認為地處中原與西域交通十字路口的樓蘭，也“曾經作為古代印度王國的一個遼遠的東方前哨。”
斯坦國以驚人的速度與其他國家的探險家同行比賽，緊接著他又進入了神秘的米蘭。
米蘭天使和古堡疑團
1906年12月下旬，斯坦因匆匆來到若羌縣東北部約60公裏的磨朗遺址（即古代伊循遺址、今稱米蘭遺址），很快就投入了考察、發掘工作。1907年新年伊始，斯坦因就興奮地宣布發現了“從未報道過、完全出於意外的”精美壁畫。
他後來記述道，他在去羅布泊邊的米蘭古城的路上，感到無比的神秘和荒涼，其神秘就在於它的與世隔絕，數個世紀以來從無人去打擾它的寧靜。他一到米蘭，就發掘出一批沙海占卷——
藏文文書，這些文書“是從守衛著玄奘和馬可·波羅都走過的去沙州的路上的古戍堡裏出土的”。前不久他中止了對米蘭的挖掘而奔向樓蘭，現在他又回來了。在這裏18天的勞作沒有白費，他遇到的喜事一個接著一個。他在給友人的信中說：“比藏文文書更讓你高興的是一打一打的漆皮鱗戰甲的殘片。”這還不算，他原來就一直認為城堡附近的一些佛塔和寺院建造的年代更早，有可能出現更大的奇跡。果然，他所希望的事被一個使他眼睛一亮的發現證實了，他從一座破壞嚴重的寺院裏，找到了幾個完好的深色堊粉雕塑頭像，與熱瓦克發現的一樣或更好些。接著他在同一寺院中又挖掘出公元三世紀早期的貝葉書，他說這是他首次發現這種書寫材料。這一口氣挖出的一件又一件稀世珍寶，足以使斯坦因富甲天下了。然而，他作夢也沒有想到，更大的幸運像天使般向他飛來。