Stuart a pornit în cea de-a treia încercare de a traversa Australia la 25 octombrie 1861. Această expediție a fost numită Marea Expediție de Explorare a Nordului. Grupul era format din: John McDouall Stuart, William Darton Kekwick, Francis William Thring, William Patrick Auld, Stephen King jr., John William Billiatt, James Frew jr., Heath Nash, John Woodforde, John McGorrery și Frederick George Waterhouse.
McGorrey era un fierar care ar fi putut repara potcoavele celor 78 de cai ai grupului. Waterhouse era un naturalist care ar fi putut să țină o evidență științifică a descoperirilor lor. Stuart a fost rănit atunci când un cal i-a călcat pe mâna dreaptă și a rămas în urmă timp de o lună pentru a se recupera. El a aflat despre moartea lui Burke și Wills la Cooper Creek.
Grupul a părăsit Chambers Creek pe 8 ianuarie 1862, deplasându-se rapid, parcurgând între 30 și 50 de kilometri pe zi. Ritmul rapid a însemnat că în primele trei săptămâni au murit opt cai, iar Woodforde a plecat și s-a întors. Stuart a lăsat în urmă o parte din provizii și a redus cantitatea pe care fiecare om avea voie să o mănânce. La Mount Hay, în centrul Australiei, au fost atacați din nou de războinici aborigeni, dar aceștia nu au fost pe măsura armelor grupului și este posibil ca mai mulți să fi fost uciși.
Au ajuns la Newcastle Waters în trei luni, apoi și-au luat o săptămână pentru a se odihni. Stuart și-a petrecut următoarele cinci săptămâni căutând apă. În cele din urmă a găsit o serie de ochiuri de apă, pârâiașe și râuri, ceea ce a însemnat că întregul grup a putut continua spre nord. A renunțat să mai încerce să ajungă la râul Victoria. Când au ajuns la Râul Roper, care fusese explorat de Ludwig Leichhardt în 1845, a știut că ar putea merge cu ușurință spre vest până la Golful Carpentaria, dar în schimb a ales să continue spre nord. Auld a spus mai târziu că "...țânțarii și muștele erau teribile. Mâinile, picioarele și gâturile noastre erau pline de bășici din cauza mușcăturilor lor". Au traversat Arnhem Land și au făcut drumul de-a lungul marginii a ceea ce este acum Parcul Național Kakadu. A urmat râul Adelaide, dar când terenul a devenit prea moale și noroios, au mers mai la nord, spre râul Mary, și au ajuns în cele din urmă la mare.
Au ajuns în Golful Van Diemen la 24 iulie 1862. Pe o creangă înaltă de copac au înălțat un steag Union Jack cu numele lui Stuart brodat pe el, care fusese confecționat de fiica lui Chamber, Elizabeth. Lemnul din copac, care între timp a fost distrus, se află în colecția Societății Regale de Geografie din Australia de Sud. Grupul a trebuit apoi să călătorească 3.400 km (2.113 mi) înapoi la Adelaide. Mâncarea devenise rară, iar vremea caldă a făcut ca apa să fie puțină. Mulți cai au murit, iar Stuart a fost din nou nevoit să lase în urmă echipamente. Waterhouse a fost nevoit să își părăsească toate plantele și animalele colectate cu grijă. Oamenii erau foarte înfometați și chiar au împușcat și mâncat dingos. Stuart avea o sănătate precară și a orbit. A fost incapabil să vorbească timp de câteva zile, iar oamenii au crezut că va muri. Nu mai putea să-și călărească calul, iar ei și-au făcut un pat cu stâlpi lungi și pături care puteau fi transportate între doi cai. Stuart a fost transportat 960 km (597 mi) prin această metodă. după ce au traversat MacDonnell Ranges, au descoperit că plouase și că era multă iarbă. Ajungând în zonele locuite, Stuart a aflat că prietenul și partenerul său, James Chambers, murise. L-a lăsat pe Kekwick la conducerea grupului și a plecat mai departe cu Auld. S-au urcat în tren la Kapunda și au ajuns în Adelaide pe 17 decembrie 1862.
Stuart și grupul său au primit o primire specială în Adelaide, la 16 ianuarie 1863. S-au îmbrăcat în hainele lor vechi și au intrat în oraș ca niște eroi. Aceasta a fost, de asemenea, ziua în care Burke și Wills au fost înmormântați la Melbourne după eșecul expediției lor.