从出土的汉文简牍分析，城中西南的大院落为长史衙署遗址，其附近为长史衙署的附属建筑。建筑形式一部分具有内地建筑的特点，一部分则保持了当地的建筑形式。城内渠道之东的一组房屋建筑，规模宏伟，是高级官吏邸宅和客馆。散布在城内的其他建筑，可能是当地土著与汉族的寄居区，而南城似乎为军事驻地。
斯坦因指挥民工和助手们在古城夜以继日地挖掘了10余天，获得了大批文书、简牍，仅在一个垃圾堆中就挖出200余件写在木片和纸上的汉文、佉卢文文书，“其上面所记载的日期表明了这个神秘之城大约是在公元3世纪至4世纪时就被废弃了。”
迎着晨风，站立在斯文·赫定发掘过的官署遗址内，斯坦因体验了一下这位瑞典人当时的心境。他甚至发现了斯文·赫定在1901年遗失的一把金属卷尺！后来，他在伦敦英国皇家地理学会举行的一次宴会上将它还给了赫定。
当斯坦因伫立在窣堵坡（佛塔）遗址的高处，打量这座异常荒凉而又至为珍贵的遗址时，仿佛是在体验着岁月的魔力所创造的悲凉。眼前的一切，几乎使人难以相信，过去，这里曾孕育了一个充满生机和繁荣的社会。
当发掘进入最后几日，处境逐渐艰难起来，从外面带来的雇工连续患病，淡水也越来越少，12月29日，斯坦因决定离开这里，向敦煌进发。这天早上，骆驼队装满了楼兰的“发掘品”，在寒冷的东北风中，离开了楼兰。
悠悠米兰城
米兰是一座早已失去繁华的古城，甚至连它那令人倾心的名字也已消失了。米兰古城在古代又称磨朗、密远，靠近今天的青新公路，南临米兰河，处在自敦煌沿疏勒河到楼兰、昆仑山北麓西行的古丝绸之路南道上，是著名的伊循屯垦古城遗址。
米兰古城是楼兰国最早的王城。始建于东汉时期。公元5世纪中后期，因楼兰国为丁零（高车）所破，民众尽散，城池废弃，其地为吐谷浑所占。唐初，吐蕃势力进入西域，讨伐吐谷浑，随之占据了此地。
早在公元前77年，楼兰国内发生事变，汉王朝册封的新王因久不在国内，担心继位后统治国家力不从心，于是，请求汉兵到伊循城（米兰）屯垦戍边，米兰自此繁荣起来。而楼兰城便日渐衰败。据斯文·赫定在楼兰发现的有关文书记载，楼兰周围有军事扰乱和战争的威胁，而驻守楼兰的官兵却忠于职守，拼死保城，兵士们照常给朋友们写信，丝毫不为即将到来的危险所惊扰。赫定感叹道：“这些中国人用这样大的毅力和勇气竭尽他们的责任，真令人感慨不已。由此可以看到这个奇异的民族是怎样统治半壁亚洲的。这并不是幻想力的创造物，也不是诗，这是赤裸裸的事实。”直到后来他还“高兴地梦想着它的伟大”，并自问：“我很奇怪，我们瑞典怎么就没有一块比我在楼兰发现的竹简和纸片更古老的石头？”
就在楼兰彻底荒芜之时，米兰屯田戍堡则空前强盛，不仅富庶而且安全，于是近在咫尺的楼兰与米兰，就成了逃离点和接纳点。
这或许可以为探索楼兰消亡之谜打开一个窗口。
斯坦因的又一次惊叹
1907年新年伊始，斯坦因在去敦煌之前，发现了“从未报道过、完全出乎意外”的米兰壁画。后来他记述道，他在去米兰的路上感到神秘和荒凉，其神秘就在于它与世隔绝，数个世纪以来从来没人去打扰。更令他激动的是出土了“一堆藏文文书，它们是从守卫着玄奘和马可·波罗都走过的去沙州路上的古堡垒里出土的。”早些时候，他曾中止挖掘奔向楼兰，现在他回来了。他在给朋友的信中描绘了米兰丰饶的文物，“比藏文书更让人感兴趣的是一打一打的藏族漆皮鱼鳞战甲残片。各种残片都有，他也许能制成一套战甲……”
“我一直认为堡垒附近一些宝塔和寺院建得更早些，我所希望的事被一种使人眼睛一亮的发现所证实。从一座破坏严重的寺院里，我找到了几个完好的涂垩粉的头像，与热瓦克发现物相比一样好或更好些。其中一些体积庞大，运输不安全，但我希望另一些能完整地运到你那里。同一寺院还出土了约公元300年的贝叶书，我还是第一次发现这种书写材料。”他一口气挖掘出的一件又一件稀世珍宝，足以使斯坦因富甲天下了。然而，他做梦也没想到，更大的幸运像天使般向他飞来。
这天，他来到一座大佛寺，在长方形的基座走廊上，发现了一个呈穹顶的圆形建筑。在这里他意外地看见了美丽的壁画——带翼天使的头像。其绘画时间，斯坦因断定不会早于亚历山大之前。他认为：“在我看来，壁画的整个构思和眼睛等等表现，纯粹是西方式的。残存的带有佉卢文的题记的祷文绸带，高度可信地说明，这里的寺院废弃于3至4世纪。”他终于找到了渴望已久的与尼雅同时期的绘画作品。
“此外，还找到了从上面墙上滑落下来的大片壁画残片。移动这些壁画残片中最精美的一些天使像墙成了很棘手的问题。我整天忙于包装这些又松又脆的壁画。幸运的是树林很近足以供应木头做箱子，还有芦苇等做填充材料。”
2月5日，斯坦因在另一个围绕宝塔的穹顶寺庙的墙上发现了精美的壁画。“其外侧已变成一堆不成形状的残骸。只是部分上部板片和阗下面的护墙板没遭破坏，但这些均堪列入最好的犍陀罗雕刻品之列。持花的蒲蒂和周围装饰的快乐的男青年和其间的女郎头像，看起来是希腊-罗马式的，这是一幅多么好的中国边疆佛教寺院里的喜悦的生活场景。”他还以轻松顽皮的语调描述了这个场面：“这些漂亮的女郎从哪里得到玫瑰花冠？这些男青年哪来的酒杯和酒碗？这一切奇怪得像是用魔法在卡尔顿周围创造出了沙漠及其滚滚的沙丘，而一伙迟到的饮宴者正在为之惊奇。”
斯坦因原计划在米兰挖掘4天或5天，但实际却呆了18天。盗取的文物之多令人叹为观止。特别是“带翼天使”的发现令他激动不已：“这真是伟大的发现！世界上最早的安琪儿在这里找到了。她们大概在2000年前就飞到中国来了。”米兰壁画是新疆境内保存最古老的壁画之一，这里的“带翼天使”可以说是古罗马艺术向东方传播的最远点。
驱赶着六峰装载着米兰文物的骆驼，斯坦因心满意足地离开了这里。
1914年1月，第三次中亚探险考察的斯坦因再次来到米兰，他对这个令他魂牵梦绕的神秘古城仍心存幻想，幻想着攫取更丰富的、令人痴迷的文物。
2月10日，斯坦因率领大批驼队在天黑时抵达米兰遗址。此刻，这位身材矮小的探险家，由于前两次塔里木盆地探险“功绩卓著”，而在1912年夏季被印度的英国总督授予印度帝国高级骑士头衔。授爵仪式于10月12日在克什米尔的斯利那加举行，也是在此地，斯坦因将前两次考察的情况整理出来，并将报告定名为《西域》，与第一次探险时相比，斯坦因此时颇有功成名就的得意感。
当功成名就的斯坦因开始他的第三次考察时，他已完全受到了一种与以往历次考察完全不同的意识观念和心态的影响。这种影响纯粹出于个人立场，即他对英国帝国主义及其合理性的充分信服。在女皇王冠上最灿烂的宝石——印度度过的岁月，使他坚信英国的统治有利于次大陆的福祉，真心实意地赞扬由此而给印度带来的利益。对于他来说，英国事物的出现，本身就是文明进步的象征和标尺。这种文明当然是西方文明，它就好像一只绵羊角，满盛着由其创造的科学和技术。沿西北边境的旅行更加强了这种信念，他亲眼看到威胁英国统治秩序的部落相继臣服，部族仇杀被制止，卫生、教育和贸易得到发展。他的思想被一种不可动摇的信念所支配，那就是西方学术的无比优越，一切都应以此来加以衡量。
斯坦因在做好各种考察探险准备后，便向英印政府打报告，要求批准他的这次在中亚、主要是在中国新疆境内的考古和地理考察旅行，并列出了44500卢比的资助经费，还提出政府需要获得中、俄两国签证，并且彬彬有礼地要求尽快答复，因为“中国政府至今尚未对外国人在这个地区考察古代遗存设置障碍。但这种有利的形势能延续多久都无法预测。”为了给自己辩护，他宣称中国新疆是“印度完全可以宣布拥有主要兴趣”的地方，根据是“佛教及其文献在中亚的传播和流入远东是个最大的成就。借此，印度过去曾长期影响着亚洲的历史。”
在接近米兰遗址的沙漠中，斯坦因又找到了几处古代遗址。
城墙由树枝和泥土混合筑成，他们在那里清理出了许多建筑木构件和其他钢铁之物。在另一处比较小的堡垒附近，斯氏又发现了一些用佉卢文、婆罗谜文及汉文书写的简牍，他认为这几处遗址大都是公元4世纪初叶以前的建筑。
斯氏在米兰遗址清理了一段时间后，将工作重点转移至距米兰遗址4英里的一处孤立的台地上，在那儿，他们找到了一批古代墓葬。各种随葬器皿及丝织物，令斯坦因眼花缭乱：花纹繁缛的各种丝、毛织物和铜镜、汉文文书等，清楚地表明是属于汉代的遗物。织有“韩仁绣”字样的汉代织锦，色彩斑斓，艳丽如新。毛织物的风格明确无误地表明了中西方的交往标志，在一片毛毡残片上，织有典型的罗马风格的人物头像，斯坦因认为是赫密士。
在孤台的东北，斯坦因找到一个城堡，他认为是汉代的卫戍所，城堡的建筑方式与沿途所见的堡垒相同。在北墙附近，发现了有纪年的汉文文书，年代在3世纪以后。在这个堡垒附近，他们又找到了另一处墓葬，发现了干尸。“从饰有羽毛和其他猎获物件的毡帽、旁边的箭杆、粗纬的毛衣织物、织得很干净的盛食品的小篮之类看来，都可以推断这是一个半游猎的种族。”这是斯氏后来作出的研究结论。