Stuart brach am 25. Oktober 1861 zu seinem dritten Versuch auf, Australien zu durchqueren. Diese Expedition wurde Great Northern Exploring Expedition genannt. Die Gruppe war: 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 und Frederick George Waterhouse.
McGorrey war ein Schmied, der in der Lage sein würde, die Schuhe der 78 Pferde der Gruppe zu beschlagen. Waterhouse war ein Naturforscher, der in der Lage sein würde, ihre Entdeckungen wissenschaftlich festzuhalten. Stuart wurde verletzt, als ein Pferd auf seiner rechten Hand stand, und blieb einen Monat lang zurück, um sich zu erholen. Er erfuhr von den Todesfällen von Burke und Wills in Cooper Creek.
Die Gruppe verließ Chambers Creek am 8. Januar 1862 in schnellem Tempo und legte täglich zwischen 30 und 50 Kilometer zurück. Das hohe Tempo bedeutete, dass in den ersten drei Wochen acht Pferde starben und Woodforde verließ und zurückkehrte. Stuart ließ einen Teil der Vorräte zurück und kürzte die Menge, die jeder Mann essen durfte. In Mount Hay in Zentralaustralien wurden sie erneut von Aborigine-Kriegern angegriffen, aber sie waren den Gewehren der Gruppe nicht gewachsen, und mehrere von ihnen könnten getötet worden sein.
Sie erreichten Newcastle Waters in drei Monaten und brauchten dann eine Woche, um sich auszuruhen. Stuart verbrachte die nächsten fünf Wochen mit der Suche nach Wasser. Schließlich fand er eine Reihe von Wasserlöchern, Bächen und Flüssen, so dass die ganze Gruppe nach Norden weiterziehen konnte. Er gab den Versuch auf, den Victoria-Fluss zu erreichen. Als sie den Roper River erreichten, der 1845 von Ludwig Leichhardt erforscht worden war, wusste er, dass er leicht nach Westen zum Golf von Carpentaria gehen konnte, entschied sich aber stattdessen, weiter nach Norden zu gehen. Auld sagte später, dass "...die Moskitos und Fliegen schrecklich waren. Unsere Hände, Füße und Hälse waren von ihren Stichen mit Blasen übersät. Sie durchquerten Arnheimer Land und machten sich auf den Weg entlang des Randes des heutigen Kakadu-Nationalparks. Er folgte dem Adelaide River, aber als der Boden zu weich und schlammig wurde, gingen sie weiter nach Norden zum Mary River und erreichten schließlich das Meer.
Sie trafen am 24. Juli 1862 im Golf von Van Diemen ein. Auf einem hohen Ast eines Baumes hissten sie eine Union Jack-Flagge mit eingesticktem Stuarts Namen, die von Chamber's Tochter Elizabeth angefertigt worden war. Das Holz des inzwischen zerstörten Baumes befindet sich in der Sammlung der Royal Geographical Society of South Australia. Die Gruppe musste dann 3.400 km (2.113 mi) zurück nach Adelaide reisen. Die Lebensmittel wurden knapp, und das heiße Wetter führte dazu, dass es nur noch wenig Wasser gab. Viele Pferde starben, und Stuart war erneut gezwungen, Ausrüstung zurückzulassen. Waterhouse musste alle seine sorgfältig gesammelten Pflanzen und Tiere zurücklassen. Die Männer waren sehr hungrig und schossen sogar und aßen Dingos. Stuart war in einem schlechten Gesundheitszustand und wurde blind. Er war mehrere Tage lang nicht in der Lage zu sprechen, und die Männer dachten, er würde sterben. Er war nicht in der Lage, sein Pferd zu reiten, und sie machten ein Bett mit langen Stangen und Decken, die zwischen zwei Pferden getragen werden konnten. Stuart wurde auf diese Weise 960 km (597 mi) weit getragen. Nachdem sie die MacDonnell Ranges durchquert hatten, stellten sie fest, dass Regen gefallen war und es viel Gras gab. Als er die besiedelten Gebiete erreichte, erfuhr Stuart, dass sein Freund und Partner James Chambers gestorben war. Er überließ Kekwick die Verantwortung für die Gruppe und ging mit Auld weiter. Sie stiegen in Kapunda in den Zug und kamen am 17. Dezember 1862 in Adelaide an.
Stuart und seine Gruppe wurden am 16. Januar 1863 in Adelaide besonders willkommen geheißen. Sie zogen ihre alten Kleider an und ritten als Helden in die Stadt. Dies war auch der Tag, an dem Burke und Wills nach dem Scheitern ihrer Expedition in Melbourne begraben wurden.