Stuart vertrok op 25 oktober 1861 voor zijn derde poging om Australië te doorkruisen. Deze expeditie werd de Great Northern Exploring Expedition genoemd. De groep bestond uit: John McDouall Stuart, William Darton Kekwick, Francis William Thring, William Patrick Auld, Stephen King Jnr., John William Billiatt, James Frew Jnr., Heath Nash, John Woodforde, John McGorrery en Frederick George Waterhouse.
McGorrey was een smid die de hoefijzers van de 78 paarden van de groep kon repareren. Waterhouse was een natuuronderzoeker die hun ontdekkingen wetenschappelijk kon bijhouden. Stuart raakte gewond toen een paard op zijn rechterhand ging staan, en bleef een maand achter om te herstellen. Hij vernam de dood van Burke en Wills bij Cooper Creek.
De groep verliet Chambers Creek op 8 januari 1862 en ging snel, met een afstand van 30 tot 50 kilometer per dag. Het hoge tempo betekende dat in de eerste drie weken acht paarden stierven en Woodforde vertrok en terugging. Stuart liet een deel van de voorraden achter en verminderde de hoeveelheid die elke man mocht eten. Bij Mount Hay in centraal Australië werden ze opnieuw aangevallen door Aboriginal-krijgers, maar die waren geen partij voor de geweren van de groep en mogelijk werden er verscheidene gedood.
Ze bereikten Newcastle Waters in drie maanden, en namen toen een week rust. Stuart bracht de volgende vijf weken door met het zoeken naar water. Uiteindelijk vond hij een reeks waterpoelen, kreken en rivieren waardoor de hele groep verder naar het noorden kon trekken. Hij gaf het op om te proberen de Victoria rivier te bereiken. Toen ze bij de Roper River kwamen, die in 1845 was verkend door Ludwig Leichhardt, wist hij dat hij gemakkelijk naar het westen kon gaan, naar de Golf van Carpentaria, maar in plaats daarvan koos hij ervoor om door te gaan naar het noorden. Auld zei later dat "...de muggen en vliegen verschrikkelijk waren. Onze handen, voeten en nekken hadden blaren van hun beten". Ze staken Arnhem Land over en baanden zich een weg langs de rand van wat nu Kakadu National Park is. Hij volgde de Adelaide River, maar toen de grond te zacht en modderig werd, gingen ze verder noordwaarts naar de Mary River en bereikten uiteindelijk de zee.
Ze kwamen aan bij Van Diemen's Gulf op 24 juli 1862. Op een hoge boomtak hesen ze een Union Jack-vlag met de naam van Stuart erop geborduurd, die gemaakt was door Chamber's dochter, Elizabeth. Het hout van de boom, dat sindsdien vernietigd is, bevindt zich in de collectie van de Royal Geographical Society of South Australia. De groep moest vervolgens 3.400 km terugreizen naar Adelaide. Voedsel werd schaars en door het hete weer was er weinig water. Veel paarden stierven, en Stuart moest opnieuw uitrusting achterlaten. Waterhouse moest al zijn zorgvuldig verzamelde planten en dieren achterlaten. De mannen hadden grote honger en schoten en aten zelfs dingo's. Stuart had een slechte gezondheid en werd blind. Hij kon enkele dagen niet spreken en de mannen dachten dat hij zou sterven. Hij kon niet op zijn paard rijden en ze maakten een bed met lange stokken en dekens die tussen twee paarden gedragen konden worden. Stuart werd op deze manier 960 km vervoerd. Nadat ze de MacDonnell Ranges waren overgestoken, ontdekten ze dat er regen was gevallen en dat er veel gras was. Bij het bereiken van de bewoonde gebieden hoorde Stuart dat zijn vriend en partner James Chambers was overleden. Hij gaf Kekwick de leiding over de groep en ging met Auld verder. Ze stapten in Kapunda op de trein en kwamen op 17 december 1862 aan in Adelaide.
Stuart en zijn groep kregen een speciaal welkom in Adelaide op 16 januari 1863. Ze kleedden zich in hun oude kleren en reden als helden de stad binnen. Dit was ook de dag dat Burke en Wills in Melbourne werden begraven na de mislukking van hun expeditie.