1908年2月14日，法国探险队到达敦煌。 伯希和在初次造访莫高窟时并未见到王圆箓，也未能进入上锁的藏经洞。 但他了解到了藏经洞内写本的情况，尤其在敦煌城内找到王圆箓后，还获知斯坦因已经捷足先登、花费不菲，获得了一些写本。不菲是王圆箓示意高价的姿态，这给伯希和一个强烈的暗示，用同样的方法，他也可以。
虽然据王圆箓称藏经洞内还有小佛像，但已经散失（拿去化缘）了，有些是大施主要来看的卷子，那些是不能动的，但这不重要。不过，此时的王圆箓似乎更加放得开，直接在3月3日让伯希和进入藏经洞拣选， 比起斯坦因来，伯希和完全享受着“最惠国”待遇，不知是否是因为伯希和的外交手段和流利汉语再次征服了王圆箓。在接下来的三个星期，伯希和主要是在藏经洞中度过的。
斯坦因掠走部分写本后，藏经洞内留下了一定空间，使伯希和能够置身藏经洞内，直接面对着三面书墙，那书墙全都超过一人高，那是将近两万卷的宝藏。基于他的外语能力，伯希和迅速做出判断，对其进行分类： 第一类是非汉语的卷子和有题记、题跋或者精美程度很高的汉语写本－这是不惜代价要让王圆箓出让的；第二类属于退而求其次，是尽量争取获得但不得已时也可以放弃的部分。 这项工作工程量巨大，在前十天，伯希和每天要检阅1000捆写本。当时写本都是捆装的，每小时打开100捆，这样算来每分钟打开不止一捆，而且灰尘呛喉咙，谁都会感觉难受和劳累，甚至头晕，心脏不舒服。不具备相当高的鉴定能力和抗压能力，是做不到这些的，但伯希和做到了。
他原本打算花1500两官银来实现“购买”，但最终他只花费了500两便“购买”了他看中的写本，还分别花了80两和200两银子购买其他洞窟的绘画和木雕作为打动王圆箓的“买路钱”。 对比斯坦因的200两或250两白银，伯希和的付出并不贵，因为伯希和掠获的这批文本和古物，是建立在专业基础上的精挑细选。虽然他也懊悔没有带相关的参考书来对一些文本做出精准的判断。这都不重要了，伯希和已经尽最大能力做到了极致。
当然不得不提一句的是，伯希和还对莫高窟超过300个洞窟进行了细致研究和部分发掘，记录了这些洞窟的状况，尤其是重要洞窟的壁画和题记，并由查尔斯，努瓦特进行了拍照。这是在大约两个月的时间内完成的，为后来修复和研究莫高窟留下了第一手的珍贵资料。所幸的是，伯希和未掌握壁画切割的技术，或者他原本就没想破坏石窟的本体，这其中也包括第16窟（伯希和编号为163窟）。
法国探险队于1908年6月8日离开敦煌，经西宁、塔尔寺、兰州一线的考察后，于8月22日到达西安。在此之前，沙畹已经于1907年3月至1908年2月，对西安以东的中原、华北以至东北广大地区的古迹进行了考察。伯希和一行在郑州乘火车北上，于10月5日到达北京，路易斯·瓦扬先期押送探险队的掠获品从海路运回法国。 伯希和与查尔斯·努瓦特南下返回河内，其间在南京、无锡逗留，拍摄了两江总督端方和裴景福的藏品。 裴景福当时被贬戍*疆新**，在迪化与伯希和相识，曾告诉伯希和他在流徙途中路过甘肃时，曾目睹莫高窟藏经洞发现佛经、佛画一事。
应该是在南京的时候，伯希和向缪荃孙透露了藏经洞的经历。缪荃孙于1907年受聘筹建江南图书馆（今南京图书馆），时任图书馆总办，在其《艺风老人日记》戊申（1908年）十月廿五日条记载道：“伯希和到图书馆，言敦煌千佛洞藏有唐人写经七千余卷，渠挑出乙千余卷函，有唐人《沙州志》，又有西夏人书，回纥人书，宋及五代刊板，奇闻也。”
1909年9月9日，清政府批准创办京师图书馆（今中国国家图书馆，当时在什刹海畔广化寺），命缪荃孙为正监督。殊不知，京师图书馆创办的初衷，正是为了存放从藏经洞运到北京的“敦煌遗书”。这是巧合，还是缘分？
1909年5月，伯希和离开河内再赴北京购买古籍，他随身带有出自藏经洞的他认为最有代表性的四部文献。这引起中国学界的注意，罗振玉“乃约同好往观，则皆已佚之古籍。因与约影照十五种，计书卷五、雕本二、石刻三、壁画五。都下同好，既醵资影印，幼云（刘廷琛）先生复印一份，存京师大学堂藏书楼，充学人之考镜”。9月4日，学部和京师大学堂的官员在六国饭店（后改为外交部招待所、华风宾馆）宴请伯希和。京师大学堂侍读学士恽毓鼎在致词中，正式提出影印伯希和在藏经洞所获精要之本的要求，伯希和表示“自可照办”。具体实施者是罗振玉，时任学部参事兼京师大学堂农科监督。
一方面，罗振玉与京师大学堂总监督刘廷琛商议，提请学部电令陕甘总督，将藏经洞所余八千卷购归。其《松翁自序》记曰：
予闻之，欣然以语乔茂萱左丞，请电护陕甘总督毛实君方伯庆蕃，托其购致学部。予并拟电，言须款几何，请先垫给，由部偿还。乔君携电上堂白之，则电允照发，而将还款语删去。予意甘肃贫瘠，若令甘督任此，必致为难。乃复提议於大学，由大学出金。总监督刘公亦谓大学无此款。予曰：若大学无此款，由农科节省充之，即予俸亦可捐充。刘公始允发电。逾月，大学及学部同得复电，言已购得八千卷，价三千元，两电文同。部中初疑价必昂，闻仅三千元，乃留之学部，不归大学。
这就是京师图书馆“敦煌遗书”的来历，但为什么不是下令上缴而是斥资购买呢？这或许是押运途中有所散佚，或者说被沿路官员窃取的原因之一。
另一方面，罗振玉请端方协调，向伯希和回购部分“敦煌遗书”，未果－“敦煌得宝之风声藉藉传播，端制军闻之扼腕，拟购回一部分。不允，则谆嘱他日以精印本寄与，且曰：此中国考据学上一生死问题也。”伯希和如约寄来一批影照。后来罗振玉据此辑成《石室秘宝》（为刊行敦煌影本之始）、《佚籍丛残初编》、《鸣沙石室佚书》、《鸣沙石室佚书续编》、《鸣沙石室古籍丛残》、《敦煌零拾》、《敦煌石室遗书三种》、《敦煌石室碎金》等。