出院之后，彭加木又坐上了西去的列車，１９６４年和１９７９年彭加木兩次到羅布泊外圍做科學(xué)考察，發(fā)現(xiàn)了大量的鉀鹽、稀有金屬和重水等貴重資源，填補(bǔ)了一些重大科研領(lǐng)域空白。
１９８０年，制定了詳細(xì)科考方案的彭加木帶著全部的熱情第３次來到羅布泊。經(jīng)過２８天的艱苦跋涉，６月５日，科考隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一個壯舉：中國人自己組隊(duì)第一次穿越羅布泊核心地帶，打破了“無人敢與魔鬼之湖挑戰(zhàn)”的神話。正當(dāng)隊(duì)員興高采烈準(zhǔn)備回家時，彭加木卻出人意料地提出，利用剩下的２０多天，再次返回羅布泊深入科考，同時開辟另外一條穿越羅布泊的道路。
考察隊(duì)預(yù)計返回羅布泊的行程大約為８００公里，頂多需要７天時間，因此只攜帶了７天的水、油及食物的補(bǔ)給。但是３天之后，考察隊(duì)才行進(jìn)了１５０公里，大家不得不停下來重新評估前進(jìn)的風(fēng)險。
此時，燃油已所剩無幾，保存的水也開始變色發(fā)臭。大家決定向最近的解放軍部隊(duì)基地求救。但彭加木也向隊(duì)員們表示，部隊(duì)用直升機(jī)送水得花費(fèi)六七千元錢，喝這樣的高價水肚子不疼，心疼。為什么不試試自己去找水呢？
６月１７日１２時，駕駛員王萬軒打開汽車車門時，發(fā)現(xiàn)了這樣一張用鉛筆寫的字條：“我往東去找水井，彭。６月１７日，十點(diǎn)三十分。”起初，隊(duì)員認(rèn)為彭加木在５０℃的高溫下不會走太遠(yuǎn)，再加上他有豐富的野外生存經(jīng)驗(yàn)，相信不久后他就會回來。
直到下午，彭加木還沒有蹤影。次日凌晨，科考隊(duì)通過電波報告：６月１７日上午，彭加木只身外出找水，不幸失蹤！
