Stuart partì per il suo terzo tentativo di attraversare l'Australia il 25 ottobre 1861. Questa spedizione fu chiamata la Grande spedizione esplorativa del Nord. Il gruppo era: 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 e Frederick George Waterhouse.
McGorrey era un fabbro che sarebbe stato in grado di riparare le scarpe dei 78 cavalli del gruppo. Waterhouse era un naturalista che sarebbe stato in grado di tenere una nota scientifica delle loro scoperte. Stuart si ferì quando un cavallo rimase in piedi sulla mano destra e rimase indietro per un mese per riprendersi. Venne a conoscenza della morte di Burke e Wills a Cooper Creek.
Il gruppo lasciò Chambers Creek l'8 gennaio 1862, percorrendo tra i 30 e i 50 chilometri al giorno. Il passo veloce fece sì che nelle prime tre settimane morirono otto cavalli e Woodforde partì e tornò indietro. Stuart lasciò alcuni dei rifornimenti e tagliò la quantità che ogni uomo poteva mangiare. A Mount Hay, nell'Australia centrale, sono stati di nuovo attaccati dai guerrieri aborigeni, ma non sono stati all'altezza delle armi del gruppo e diversi potrebbero essere stati uccisi.
Hanno raggiunto Newcastle Waters in tre mesi, e poi si sono presi una settimana di riposo. Stuart trascorse le cinque settimane successive alla ricerca dell'acqua. Alla fine trovò una serie di pozzi, torrenti e fiumi che gli permisero di proseguire verso nord. Ha rinunciato a cercare di raggiungere il fiume Victoria. Quando arrivarono al fiume Roper, che era stato esplorato da Ludwig Leichhardt nel 1845, sapeva di poter andare facilmente ad ovest verso il Golfo di Carpentaria, ma scelse invece di proseguire verso nord. Auld disse più tardi che "...le zanzare e le mosche erano terribili. Le nostre mani, i nostri piedi e il nostro collo erano pieni di vesciche con i loro morsi". Attraversarono la terra di Arnhem, e fecero la strada lungo il confine dell'attuale Parco Nazionale di Kakadu. Seguirono il fiume Adelaide, ma quando il terreno divenne troppo morbido e fangoso, andarono più a nord verso il fiume Mary e alla fine raggiunsero il mare.
Arrivarono al Golfo di Van Diemen il 24 luglio 1862. Su un ramo d'albero alto alzarono una bandiera della Union Jack con il nome di Stuart ricamato sopra, che era stata fatta dalla figlia di Chamber, Elizabeth. Il legno dell'albero, che da allora è stato distrutto, fa parte della collezione della Royal Geographical Society of South Australia. Il gruppo ha dovuto percorrere 3.400 km (2.113 miglia) per tornare ad Adelaide. Il cibo stava diventando scarso e il clima caldo significava che c'era poca acqua. Molti cavalli morirono e Stuart fu di nuovo costretto a lasciare l'attrezzatura. Waterhouse ha dovuto lasciare tutte le sue piante e gli animali raccolti con cura. Gli uomini erano molto affamati e anche fucilati e mangiavano dingo. Stuart era in cattive condizioni di salute ed era diventato cieco. Non poté parlare per diversi giorni e gli uomini pensarono che sarebbe morto. Non era in grado di cavalcare il suo cavallo, e fecero un letto con lunghi pali e coperte che si potevano portare tra due cavalli. Stuart fu trasportato per 960 km (597 mi) con questo metodo. dopo aver attraversato i MacDonnell Ranges, scoprirono che era caduta la pioggia e che c'era molta erba. Raggiunte le zone abitate, Stuart venne a sapere che il suo amico e compagno James Chambers era morto. Lasciò Kekwick a capo del gruppo e andò avanti con Auld. Salirono sul treno a Kapunda e arrivarono ad Adelaide il 17 dicembre 1862.
Stuart e il suo gruppo ricevettero un'accoglienza speciale ad Adelaide il 16 gennaio 1863. Si vestono con i loro vecchi abiti e si recano in città come eroi. Questo fu anche il giorno in cui Burke e Wills furono sepolti a Melbourne dopo il fallimento della loro spedizione.
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