Stuart berangkat dalam upaya ketiganya untuk menyeberangi Australia pada tanggal 25 Oktober 1861. Ekspedisi ini disebut Ekspedisi Penjelajahan Besar Utara. Kelompok itu adalah: 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 dan Frederick George Waterhouse.
McGorrey adalah seorang pandai besi yang akan mampu memperbaiki sepatu pada 78 kuda kelompok itu. Waterhouse adalah seorang naturalis yang akan dapat membuat catatan ilmiah tentang penemuan mereka. Stuart terluka ketika seekor kuda berdiri di atas tangan kanannya, dan tetap tinggal di belakang selama sebulan untuk memulihkan diri. Dia mengetahui tentang kematian Burke dan Wills di Cooper Creek.
Kelompok ini meninggalkan Chambers Creek pada tanggal 8 Januari 1862 dengan bergerak cepat, menempuh jarak antara 30 dan 50 kilometer sehari. Kecepatan yang cepat berarti bahwa dalam tiga minggu pertama delapan kuda mati dan Woodforde pergi dan kembali. Stuart meninggalkan beberapa persediaan di belakang dan memotong jumlah yang diizinkan untuk dimakan setiap orang. Di Mount Hay di Australia tengah, mereka kembali diserang oleh prajurit Aborigin, tetapi mereka bukan tandingan senjata kelompok itu dan beberapa mungkin telah terbunuh.
Mereka mencapai Newcastle Waters dalam waktu tiga bulan, dan kemudian beristirahat selama seminggu. Stuart menghabiskan lima minggu berikutnya untuk mencari air. Dia akhirnya menemukan serangkaian kubangan air, anak sungai, dan sungai yang berarti seluruh kelompok dapat melanjutkan ke utara. Dia menyerah saat mencoba mencapai Sungai Victoria. Ketika mereka sampai di Sungai Roper, yang telah dijelajahi oleh Ludwig Leichhardt pada tahun 1845, dia tahu bahwa dia bisa dengan mudah pergi ke barat ke Teluk Carpentaria, tetapi dia memilih untuk terus ke utara. Auld kemudian mengatakan bahwa "...nyamuk dan lalat sangat mengerikan. Tangan, kaki, dan leher kami melepuh karena gigitan mereka." Mereka menyeberangi Arnhem Land, dan berjalan di sepanjang tepi tempat yang sekarang menjadi Taman Nasional Kakadu. Dia mengikuti Sungai Adelaide, tetapi ketika tanah menjadi terlalu lunak dan berlumpur, mereka pergi lebih jauh ke utara ke Sungai Mary dan akhirnya mencapai laut.
Mereka tiba di Teluk Van Diemen pada tanggal 24 Juli 1862. Di sebuah cabang pohon yang tinggi, mereka mengibarkan bendera Union Jack dengan nama Stuart yang disulam di atasnya yang dibuat oleh putri Chamber, Elizabeth. Kayu dari pohon tersebut, yang telah dihancurkan, menjadi koleksi Royal Geographical Society of South Australia. Rombongan kemudian harus menempuh perjalanan sejauh 3.400 km (2.113 mil) kembali ke Adelaide. Makanan menjadi langka, dan cuaca panas berarti hanya ada sedikit air. Banyak kuda yang mati, dan Stuart lagi-lagi terpaksa meninggalkan peralatan. Waterhouse harus meninggalkan semua tanaman dan hewan yang dikumpulkannya dengan hati-hati. Orang-orang itu sangat lapar dan bahkan menembak dan memakan dingo. Stuart berada dalam kondisi kesehatan yang buruk dan menjadi buta. Dia tidak dapat berbicara selama beberapa hari dan orang-orang mengira dia akan mati. Dia tidak dapat menunggang kudanya, dan mereka membuat tempat tidur dengan tiang panjang dan selimut yang dapat dibawa di antara dua kuda. Stuart dibawa sejauh 960 km (597 mil) dengan metode ini. setelah melintasi MacDonnell Ranges, mereka menemukan bahwa hujan telah turun dan ada banyak rumput. Saat mencapai daerah pemukiman, Stuart mengetahui bahwa teman dan rekannya, James Chambers telah meninggal. Ia meninggalkan Kekwick sebagai penanggung jawab kelompok, dan melanjutkan perjalanan bersama Auld. Mereka naik kereta api di Kapunda dan tiba di Adelaide pada tanggal 17 Desember 1862.
Stuart dan kelompoknya mendapat sambutan khusus di Adelaide pada 16 Januari 1863. Mereka mengenakan pakaian lama mereka dan berkuda ke kota sebagai pahlawan. Ini juga merupakan hari ketika Burke dan Wills dimakamkan di Melbourne setelah kegagalan ekspedisi mereka.