彭加木曾經十五次進入新疆，他為中國科學院建立新疆分院。中國科學院新疆分院剛剛建立時，院內資源底子薄，彭加木為了分院的發展，可謂嘔心瀝血。從樓房的籌建到儀器的購置安裝，再到人才的引進和培訓，每一件事情彭加木都親力親為。
1962年，我國第一台高分辨率的顯微鏡在上海安裝調試完成，隨後又在廣州、福州、烏魯木齊等地建立電子顯微鏡的實驗室，這些成就都是彭加木不顧癌症，以頑強的毅力指導完成的。
1964年3月5日至3月30日，彭加木和一些科技研究工作者第一次考察了羅布泊，在環繞了羅布泊一周後，經過采樣分析，彭加木等一些科學家認定，在羅布泊附近有中國緊缺的重要資源。但是，由於考察時間短暫，彭加木最終還是空手而歸。
1979年，彭加木擔任中國科學院新疆分院的副院長，並在當年再次考察了羅布泊。經國務院批準，中日兩國決定拍攝一部關於絲綢之路的曆史紀實片，彭加木被約為劇組顧問。為此，彭加木先行對羅布泊進行科學考察。此次考察，彭加木取得了傲人的成果，填補了我國關於羅布泊一帶科學資料的空白，糾正了很多國外冒險家對羅布泊的錯誤論斷。彭加木還為劇組發現了進入樓蘭古國的通道，這是我國考古學中重大的曆史發現。
蒙難沙漠
距離第二次考察羅布泊已經有半年之久，次年5月8日，彭加木和中國科學院新疆分院的汪文先、馬仁文、閻鴻建、王萬軒、包紀才和駐地部隊的無線電發報員肖萬能等人組成考察分隊，他們第三次考察羅布泊地區。
這一次，彭加木和他的考察隊首次穿越了長達450千米的羅布泊湖盆，考察了大量的土壤標本和礦物化石，這些珍貴資料成為後來我國開發羅布泊的前瞻性資料。1980年6月5日，彭加木考察隊縱橫羅布泊幹涸湖底，到達了考察的終點站——米蘭，也就是羅布泊的東大門。按照計劃，他們在米蘭的農場休息一陣子後，準備沿著中國古代的絲綢舊路，再次從南到北穿越羅布泊，然後取道敦煌，完成這次考察。
但是，在6月16日，考察隊走到庫木庫都克以西8千米處時，他們所攜帶的水和汽車所用的汽油都已經用盡。按照考察計劃，這段考察路程還有400多公裏。為了擺脫窘境，彭加木等考察隊員們決定就地取水。但沙漠太幹旱，沒有給他們提供任何的水資源。忙碌了一個下午的考察隊隊員回到宿營地，經過討論，他們決定發無線電報，向附近的中國駐軍求援。
據說，彭加木本來是反對向附近駐軍求救的，因為附近駐軍向他們提供援助的話，要花費七千元的費用。彭加木不願意讓國家再承擔這樣一筆不小的開支。但他又頂不住考察隊內隊員們的壓力，隻得答應向駐軍求救，並親自起草電文。他在電報中將考察隊所遇到的困境告訴給了附近的駐軍，並在電報中說道：“我們缺少水和石油，隻能堅持到明天上午。”
第二日上午9點，彭加木和他的考察隊收到回信，部隊同意為彭加木的考察隊提供緊缺的物資，要求他們向部隊提供準確詳細的坐標。當日下午一時，考察隊忽然發現，彭加木失蹤了！在考察隊配備的車廂內，彭加木留下了這樣一封信：“我向東麵去找水井。彭。六月十七日十時三十。”
看到這封信後，考察隊員們大吃一驚，當時的羅布泊沙漠氣候幹旱，燥熱異常，溫度達到50多度，而且頻發風暴，在這種情況下，彭加木獨自一個人出去找水，情形凶險，可想而知。果然，彭加木在廣袤無垠的沙漠中一去不複返。為了搜尋彭加木，國家先後四次派出幾十架直升機、偵察機、幾十輛吉普汽車，以及數千人的營救、搜索隊，對彭加木消失的地域進行拉網式的搜索，不過沒有發現半點訊息。
考察隊員和一些知情人士分析，彭加木很有可能是在找水的過程中舊病複發，並遇上大風暴，最終被淹沒在風沙之中。實際上，在這次穿越羅布泊之前，彭加木的身體就已經很不好了，一直沒有斷過藥。進入羅布泊考察之後，彭加木也時常感歎“老毛病又犯了”之類的話語。種種跡象表明，在外出找水前，彭加木的惡性腫瘤已經複發。
難解的疑雲
關於彭加木的最終下落，三十幾年以來，各方說法爭論不休。主要有以下幾種說法：
1.被外星人救走；
2.逃往美國；
3.被直升機接到了蘇聯；
4.被考察隊中同彭加木有矛盾的人殺害；