1927年5月10日，斯文·赫定同考察团乘火车抵达归绥，乘骆驼到包头。这里已先期集中了40吨的物资及250头骆驼。

5月20日，旅行队浩浩****沿着向把子补隆和五原方向的官道向西北方向前进，赫定在日记中记录的这些战后景象，“时常可见呈现衰败景象的村庄，村庄残垣断壁，人们衣衫褴褛”，这是东北军追击西走的冯玉祥部造成的。

在公图克村，赫定见到不久前坠毁的德航两架客机的残骸。德航开辟中亚航线的计划就此告吹。

旅行队到达昆都仑庙，折向北，沿昆都仑河谷翻越阴山，进入大草原。在茂明安旗，队伍停下，四处分散考察，并在这里设立了气候观测所。北京的中央气象台对赫定等人的气象测候很感兴趣，要求他们每天向北京发布气候报告。

在茂明安草原，中国学者黄文弼发现了秦长城遗址及城池，贝格曼发现一处石器时代遗址，收集了1000余件器物。赫定则每天向中国的徐炳昶、黄文弼请教中国历史，为即将到来的额济纳河考古做准备。

在这里，最有收获的是丁道衡发现白云鄂博铁矿。7月5日赫定接到丁道衡喜讯，报告在巴延博克图(白云鄂博)发现巨大铁矿，“矿质虽未分析，全山皆为铁矿所成。此矿为交换作用所成，前为石灰岩，后经潜水中含有铁质者所交换而成。又经岩浆冲出，其他杂质皆气化而去，故其质体极纯。以衡推测，成分必在八九十分以上。全量皆现露于外，开采极易。”

那林在7月3日的信中也说：“神山，巴延博克图，名副其实，整个南半壁都是纯粹的矿石，铁和锰，矿苗的地面一直扩张到察罕鄂博庙，这已由我绘画下来。”

赫定接到丁道衡和那林的报告后很高兴，他在日记中写道：“发现巨大铁矿，这是中国福祉。”

7月22日，旅行队再度出发，在阴山、乌拉山、狼山南北，乌拉特旗、潮格旗、阿拉善旗、额济纳旗境内行进，途经海流图、东升庙、呼和温都尔庙等地，赫定曾单独到东升庙考察，这里鼎盛时有900余名喇嘛，现在喇嘛仅有20名，穷得一贫如洗。

接着，旅行队又穿过潮格旗与磴口县交界的峡谷地带，转向西北，直往嘎顺淖尔(东居延海)方向。赫定所选择的路线，基本上是1906年俄罗斯探险家科兹洛夫到额济纳旗黑城子的路线。自潮格旗向西，骆队便整日穿行于沙漠戈壁，间或有泉水绿洲，便在此宿营。

直到9月22日，在布鲁雄齐，黄文弼在营地正西沙丘上发现汉代陶器碎片和一段残垣，判定这里离哈喇浩特(黑城子)不远了。第二日抵达黑城子（在额济纳旗旗府所在地达来呼布镇东南约25千米）。

哈喇浩特位于额济纳河支流纳林河东面的巴丹吉林沙漠边缘，其西即雅丹地貌，还有一望无际的戈壁。1906年科兹洛夫首次发现该遗址，根据出土文物判定是古城。赫定测量了遗址，东西宽434米，南北长384米，黄土夯筑城墙高约9米，有东、西两城门。城内有许多残垣断壁及土台，仍能看到街道分布形状及疑为官署的建筑群，有一座覆钵式喇嘛塔，一座伊斯兰教堂。赫定等未在此发掘，仅停留了两个多小时，便向额济纳河前进。

赫定很快就看到绿树成荫，胡杨、柽柳成片的绿洲，及额济纳主河道。据测量，河宽约140米，深1米。赫定等将营地设在宽阔的草地上，造独木舟，准备沿河溯流而下，考察嘎顺淖尔和索果淖尔(西居延海)。

10月22日，赫定到达天鹅游弋、百鸟成群的居延海。在此驻牧的蒙古部落帐幕星罗棋布，蒙古族极为友好地接待了赫定一行。达理扎雅亲王(赫定称其“土尔扈特王子”)亲自造访赫定，赫定送给亲王一架望远镜。

在居延海畔，赫定以其地理测绘学的特长指导完成了23幅额济纳地图，所绘面积2650平方千米，并绘制从潮格旗到额济纳的14幅道路图。

11月8日，赫定率领39人及127头骆驼，向巴丹吉林沙漠进发。经过两个月的艰苦跋涉，一行进入新疆。在新疆期间，袁复礼在塔里木盆地地质构造中发现大规模海相沉积岩层，为新疆油田开发奠定科学基础。

1929年10月，赫定决定率考察团部分人考察绥远境内喇嘛寺庙。在十几天时间内，赫定考察了达尔罕、苏尼特、四子王、兰旗、宝昌、商都等地十余座喇嘛庙，于21日到张家口，回归北京。

这十余天最大的收获，是黄文弼在四子王旗阿楞苏木发现古代汪古部赵王城遗址。黄文弼根据遗址出土的《德傅王风堂》碑，判定该地即是赵王城，又根据遗址墓碑所刻十字架及约翰等天主教名字，得出汪古人是景教徒。景教是基督教聂斯脱里派，也就是东方亚述教会，唐代经中亚传入我国，称景教，西安碑林尚存李世民撰、褚遂良书《大秦景教流行中国碑》。在敦煌遗书中，也记载了景教在河西流行的情况。景教经河西地区传入驻牧于阴山南北的蒙古汪古部，遂成为该部宗教信仰。黄文弼的发现，曾一时轰动，被誉为考古一大发现。

在西北考察团考察期间，赫定遥控处理考察团事务，各地筹款，至1933年6月8日考察团解散。由于健康每况愈下，加上大萧条的影响，斯文·赫定的西北考察经历了一段困难时期。但是无论如何，这次考察都是一次科学上的胜利。考古发掘的物品被送到瑞典评估。按照签订的合约，三年后必须送还中国。