也就在这一年，王子云得知他关于建立“西北艺术文物考察团”的报告教育部已批准，给了12个编制，并由他出任团长。眼下正在战乱中，千头万绪，诸事交集，有关部门仍能关注于此并拨出经费，这让他有些感动。报端刊发广告后，报名的不少，但合格的应征者几乎没有，最后他选中的还是国立艺专刚毕业的学生，另外在日本东京高等教育学校读美术的何正璜，倒也令人满意，那时完全想不到这位小他17岁的女生后来会成为自己的妻子，相伴终身。

早在留法期间，王子云就倾心于恩克尔曼的田野考察，并在游历欧洲的过程中看到大量流失在那里的中国文物，至于成立考察团的想法产生于抗战开始后，炮火连天，他担心许多珍贵的文物和艺术品随时都会湮没。经过反复考虑，认为自己有责任向政府提出建议，进行抢救性的调查记录保护工作。正好当年师范的同学徐朗秋在社会教育司做科员，听说后十分赞同这个想法，主动提出为他递呈报告。（此人后来做了西北大学教务长，20世纪50年代末瘐死狱中。他在1955年写的“交代”里说：王子云和当时教育部上层无一人相识，被任命为考察团团长，是因为陈立夫“口袋里没有这样的专业人才”。）

考察团成立后先在陕、甘、青等地活动，一年后才到达千佛洞。王子云在《从长安到雅典——中外美术考古游记》里记述：由兰州去敦煌，先坐汽车经河西走廊，即经武威、张掖、酒泉。酒泉去安西约280公里，需专雇骡车走3天；安西到敦煌180公里，连骡车也难通行，只好改坐农家的木轮牛车。而等他们到达时，张大千已经在那儿了。张的做法是从青海塔尔寺雇来三位喇嘛画师，运用藏教壁画的画法和色彩，试图展现千佛洞年久褪色的壁画原来的面貌（至于是否原貌，就不得而知了），至于王子云，他说：“我们的目的是为了保存现有面目，按照原画现有的色彩很忠实地把它摹绘下来。”这是显然是更科学，也是更辛苦的做法。除了临摹之外，据何正璜在王子云去世后写的《深切的怀念》一文中说：“他还热衷于要制作一幅敦煌石窟全图。他仔细测量每个洞窟的位置、远近、大小、高低，并密密附上清晰的编号，蔚成一幅敦煌莫高窟的全景。他为此跑东跑西地跳上跳下，用他所长的绘画手法，更用他所不长的测量手法，费了九牛二虎之力，总算把全图绘成了，这是一幅极不寻常的长卷画，在当时是绝无可能用照相机摄下的，到今天虽有先进工具，但已非昔日原样了，因此，它是无可替代的历史资料。”就为完成此图，王子云工作了一个月。因为经费拮据，考察团前往敦煌的仅有他和雷震、邹道龙三人（何正璜因为生孩子，暂时住在兰州）。许多具体的工作都只能亲力亲为。

考察团完成了大量工作，他带着许多资料回到重庆，所办的展览轰动了陪都，正是在这样的社会气氛和舆论推动下，敦煌艺术研究所得以建立。王子云后来回忆：考察团在敦煌活动期间，曾经给教育部写过要求成立敦煌艺术研究所的报告，并有具体的研究计划。报告书送达教育部以后，由艺术教育委员会处理，这时候艺术教育委员会秘书是常书鸿。报告很快得到批准，由常书鸿任筹备委员会主任，王子云任副主任。王子云认为常书鸿是个专业油画家，让他来主持敦煌研究不甚合理，于是不肯居常之下，也就没有参加敦煌研究所的工作。

王子云与常书鸿两人，当年留法时就熟悉，后来滕固当校长时都在国立艺专，分任中专部主任和大专部主任。学校要到昆明建校，就是他俩打的前站，去找云南省主席龙云帮忙。就私人关系而言，王子云对常书鸿并无訾言，他认为应该自己牵头来做敦煌研究，完全是从学术出发。

考察团于1945年因为经费不能保证而撤销，此后王子云的身影就渐渐从敦煌研究中隐去和淡出。他落脚西北大学担任历史系教授兼文物研究室主任，将考察团的成果编辑成10册资料交给校方，（可惜它们此后一直躺在库房里，无人识其价值）。