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考察，發現了大量的鉀鹽、稀有金屬和重水等貴重資源，填補了一些重大科研領域空白。

１９８０年，制定了詳細科考方案的彭加木帶著全部的熱情第３次來到羅布泊。經過２８天的艱苦跋涉，６月５日，科考隊實現了一個壯舉：中國人自己組隊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”的神話。正當隊員興高采烈準備回家時，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。

考察隊預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、油及食物的補給。但是３天之后，考察隊才行進了１５０公里，大家不得不停下來重新評估前進的風險。

此時，燃油已所剩無幾，保存的水也開始變色發臭。大家決定向最近的解放軍部隊基地求救。但彭加木也向隊員們表示，部隊用直升機送水得花費六七千元錢，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，發現了這樣一張用鉛筆寫的字條：“我往東去找水井，彭。６月１７日，十點三十分。”起初，隊員認為彭加木在５０℃的高溫下不會走太遠，再加上他有豐富的野外生存經驗，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！