1980年3月，樓蘭考古隊再次進軍樓蘭，對樓蘭古城又進行了一次全方位的考察與發掘，這是一場規模空前、聲勢浩大的沙漠考古。
考古隊從馬蘭出發，汽車沿庫魯克塔山脈行駛，穿行在山間的盆地中。起初，路邊還能見到一些掉了葉的胡楊紅柳，偶爾還有一些野兔和黃羊從車前奔馳而過。當隊伍折向東南逐漸靠近孔雀河北岸時，地麵已變成戈壁灘，滿眼全是毫無生機的礫石。隊伍在戈壁灘東行70多千米來到前進橋。這裏與樓蘭古城的直線距離約有18千米，但這段路是汽車無法通行的“雅丹地形”，行裝和給養隻能靠駱駝運送。駝隊從馬蘭到前進橋，冒著風沙寒凍，行進在水草缺乏的300多千米的艱苦路程中，最快也得一個星期。利用等待駝隊的時間，考古隊以前進橋為中心，沿孔雀河展開了考察活動。
考古大軍進駐樓蘭，打破了古城禁錮於沙漠、隔世千年的寧靜。麵對撲麵而來的黃沙，大家首要任務是搞清樓蘭古城的全貌，工作人員決定從尋找古城牆展開工作，但樓蘭的城牆在哪兒呢？極目四望，人們隻看到順東北風勢侵蝕的條條凹地和一個個孤島似的台地。為了尋找城牆遺跡，大家多次在古城穿行。經過多天艱苦細致的工作，他們發現這是一座大致呈方形的古城：東西長約335米，總麵積約十餘萬平方米。根據古城所在的實際位置，工作人員核定：它位於東經89。55—22，北緯40。29—55，再次糾正了斯文？赫定和斯坦因測定的錯誤。城牆采用夯築法建造，在厚度80厘米的夯土中夾壓蘆葦和紅柳枝。這是一種典型的漢代築牆方式，敦煌附近的漢長城亦如此。在南北城牆的中段各有一個缺口，專家推測這可能是城門的位置；在西城牆的中部也有一個缺口，缺口兩側還有兩個突出的土台，可能是城門及附屬建築，但因風蝕嚴重，已無法判定其本來麵目。
在樓蘭城中，有一條東西走向、穿城而過的石砌渠道遺跡，與城外的河道相連。渠道上殘留有許多水螺殼，這表明古渠道曾是淡水通道。以古渠為中軸線，古城被分割成東北和西南兩大部分。東北部以佛塔為標誌，西南部以土塊壘砌的三間房為重點，散布著一些大小宅院。佛塔殘高10.4米，是城中最高的建築物。它的塔基為方形，每邊長約19.5米，塔身為八角形，用土坯夾木料壘砌而成，中間填土充實。塔頂為圓形，直徑約6.3米。塔身的木方外緣殘留雕刻紋飾。在塔基與塔身之間，南側有供攀登的土坯階梯，寬約0.3米。整個外形如同覆缽，與古代印度的佛塔相似。
在附近，人們還發現了木雕坐佛像和飾有蓮花的銅長柄香爐等物品。佛塔南麵有一片大型建築遺址，地麵上有許多錯亂放置的粗大木材。這些木材都經過加工，或有整齊的榫孔，或有流暢的旋形紋樣。斯文？赫定和斯坦因等人都曾在此發現各種精致花紋的裝飾木板和木雕佛像。工作人員還在這裏采集到許多精美的絲毛織品、兩漢五銖錢、各色飾珠，還有來自異域海岸的貝殼和珊瑚。這些物品表明樓蘭古城曾是早期“絲綢之路”上貿易的中心城市。
樓蘭城中最顯眼的建築遺跡，是西南部的“三間房”遺跡。這是樓蘭城中用土壘砌的唯一現存的建築蹤跡。它位於城中稍偏西南，東北緊靠古渠。現存布局看似門形，東西兩牆尚存紅柳夾蘆：的牆壁和房基木。考古人員在三間房最東間清理出織錦、絲絹、棉布和小陶燈等物，並且還發現一件比較完整的漢代文書。從文書的內容來判斷，這裏應是官署遺跡。
在三間房西35米處，有一大片“垃圾物”。當年斯坦因曾在此大肆挖掘，飽掠而歸。工作人員在清理這個“垃圾堆”時，意外地獲得木簡60枚。這些木簡文書中有絕對年號的是曹魏景元四年（公元263年）至西晉永嘉六年（公元312年），文書內容大致與三間房出土物相同。