出院之后，彭加木又坐上了西去的列车，１９６４年和１９７９年彭加木两次到罗布泊外围做科学考察，发现了大量的钾盐、稀有金属和重水等贵重资源，填补了一些重大科研领域空白。

１９８０年，制定了详细科考方案的彭加木带着全部的热情第３次来到罗布泊。经过２８天的艰苦跋涉，６月５日，科考队实现了一个壮举：中国人自己组队第一次穿越罗布泊核心地带，打破了“无人敢与魔鬼之湖挑战”的神话。正当队员兴高采烈准备回家时，彭加木却出人意料地提出，利用剩下的２０多天，再次返回罗布泊深入科考，同时开辟另外一条穿越罗布泊的道路。

考察队预计返回罗布泊的行程大约为８００公里，顶多需要７天时间，因此只携带了７天的水、油及食物的补给。但是３天之后，考察队才行进了１５０公里，大家不得不停下来重新评估前进的风险。

此时，燃油已所剩无几，保存的水也开始变色发臭。大家决定向最近的解放军部队基地求救。但彭加木也向队员们表示，部队用直升机送水得花费六七千元钱，喝这样的高价水肚子不疼，心疼。为什么不试试自己去找水呢？

６月１７日１２时，驾驶员王万轩打开汽车车门时，发现了这样一张用铅笔写的字条：“我往东去找水井，彭。６月１７日，十点三十分。”起初，队员认为彭加木在５０℃的高温下不会走太远，再加上他有丰富的野外生存经验，相信不久后他就会回来。

直到下午，彭加木还没有踪影。次日凌晨，科考队通过电波报告：６月１７日上午，彭加木只身外出找水，不幸失踪！