Un succés molt similar passà al següent torneig Interzonal, a Amsterdam 1964. Stein hi fou cinquè, una plaça que hagués classificat qualsevol no soviètic, amb una puntuació de 16½/23, però no pogué avançar a la següent fase, perquè acabà darrere dels també soviètics Mikhaïl Tal, Vassili Smislov, i Borís Spasski, els quals, juntament amb el GM danès Bent Larsen, varen fer 17 punts. Va representar l'URSS a la XVI Olimpíada d'escacs, a Tel Aviv el 1964, puntuant uns magnífics 10/13, que li reportaren una medalla d'or individual al primer tauler suplent. Participà també amb l'equip soviètic a la XVII Olimpíada d'escacs, puntuant 9/12, i guanyant una medalla d'argent individual al quart tauler. Ambdós cops, tal com era habitual en aquells anys, la Unió Soviètica guanyà la medalla d'or per equips.