14 сентября 1867 года началось самое значительное исследование собственно Тянь-Шаня - поездка в центральную его часть - на Нарын и Аксай.
Северцов с отрядом в 15 человек, проводниками, двумя переводчиками и 40 стрелками направился из Верного к югу по реке Тургени (приток Или) к Заилийскому Алатау. Через Карача-Булакский перевал подошли к восточной оконечности озера Иссык-Куль. Необходимо было достичь цели до снегопада и буранов.
Северцов, оставив задания участникам экспедиции, двинулся с препаратором Скорняковым вниз по долине Мерке, к реке Чарын, которая в верхнем течении называется Ахтогай. Здесь она с бешеной силой прорывается через мрачное дикое ущелье.
На обратном пути Северцов и Скорняков потеряли направление и друг друга. Лишь через двое суток, измученные, но переполненные впечатлениями, добрались они до отряда.
База располагалась в маленьком укреплении Аксу близ устья реки Каракол. После короткого отдыха Северцов впервые близко подошел к озеру Иссык-Куль. Исследовав его берега, экспедиция перевалила через Терскей-Ала-Тоо и по Барскаунскому ущелью направилась к югу.
На перевале Барскаун попали в туман с мелкой снежной изморозью. Потом началась метель с сильным ветром. Путешественники были легко одеты, так как раньше стояла теплая погода. Промокшие и застывшие, они разбили лагерь в южных предгорьях хребта Суек у замерзшего озерка.
Здесь Северцов открыл новый вид мелких, очень красивых птиц, которых он назвал "расписная синичка".
В течение трех дней, проведенных отрядом на Аксайском плоскогорье, свирепствовала метель; условия работы были почти нестерпимы; только Северцов с его исключительной выносливостью и работоспособностью мог продолжать исследования и вдохновлял своим примером остальных.
Северцов по снегу пересек сырты в юго-западном направлении и через несколько перевалов в начале октября снова вышел к Нарыну, затем на юге исследовал долины рек Ат-Баши (система Сырдарьи) и Аксай (бассейн Тарима) и проник в юго-западную часть хребта Какшаал-Тоо. Он был первым европейцем, прошедшим в эту часть Центрального Тянь-Шаня. Наконец-то сбылась мечта многих поколений ученых.
С трудом пробирался отряд по заснеженным сыртам. Люди скользили по обледенелым скалам, рискуя сорваться в пропасть. Опытные проводники лишь чутьем угадывали дорогу по ущельям и обрывам, где едва ступали верблюды. Особенно страдали путники от холода. Однако, несмотря ни на что, ученый продолжал наблюдения. Здесь он обнаружил новые виды животных, в частности диких горных баранов - качкаров (архаров), а также дикого горного козла - теке, кашмирскую козу, дикобраза Особенно гордился Северцов кумаем, которого он назвал снежным грифом. Ученому повезло: добытый им огромный экземпляр этой осторожной птицы высокогорья - "крылатого чудища Тянь-Шаня" - имел размах крыльев 2 метра 88 сантиметров, а длина его равнялась 1 метру 28 сантиметрам.
9 октября отряд достиг среднего течения реки Нарын. Чем дальше, тем труднее становился путь; проводники начали роптать, отказывались идти, но Северцов подбадривал всех и упорно шел вперед. Однако усилившиеся холод и метель все же заставили путников 17 октября двинуться обратно. Так русский ученый, пройдя по тянь-шаньским сыртам, первым из европейцев достиг 41° с.ш. в южной части Тянь-Шаньского нагорья.
20 октября достигли ущелья Чар-Карытма, из которого открывался величественный вид на северные берега Нарына.
При переходах через горные потоки лошади нередко падали и скользили по обледенелому дну и валунам, загромождавшим реку. 30 октября прибыли в Токмак. Лежа в теплом халате (Северцов изредка позволял себе эту роскошь на привалах) и прихлебывая из пиалы чай, он делал заметки в своей записной книжке: "Метель была забыта на радостях, что наконец-то ночую за тем самым хребтом Болгар, или Суек, на который с Зауки и Барскауна только смотрели Семенов и Проценко, и где не было европейской ноги".
"Собрано 4000 экземпляров животных". Если прибавить к этому ботанические коллекции из 3000 гербарных листов и 800 образцов минералов, то будет ясно, почему так благодарили Северцова хранители музеев Петербурга.
Последующие два месяца Северцов провел в Ташкенте. Здесь он подружился с художником В. В. Верещагиным.
К началу 1869 года Северцов вернулся в Петербург. Он прославился своими исследованиями в Туркестане, его имя теперь было известно не только в России, но и за границей. Московский университет присудил Северцову степень доктора зоологии без защиты диссертации.
Напряженный труд в тянь-шаньской экспедиции и периодически повторяющаяся тропическая лихорадка подорвали здоровье Северцова. С 1869 по 1873 год он жил преимущественно в родном Петровском. В Москву и Петербург приходилось выезжать главным образом для уточнения некоторых данных в библиотеках и в зоологических музеях.
В 1873 году вышли в свет еще две его книги "Аркары (горные бараны) Средней Азии" и "Путешествия по Туркестанскому краю".
Зиму 1872/73 года Северцов с семьей провел за границей, где должен был пройти курс лечения его шестилетний сын Алексей. После смерти младшего из двух детей внимание родителей к единственному их ребенку удвоилось.
В Швейцарии семья Северцовых пробыла недолго. Здесь ученый рассчитывал подняться на альпийские ледники. Однако программа изучения ледников была выполнена лишь частично. Восхождение на Монблан не удалось осуществить из-за свирепствовавших в горах буранов. Эта неудача глубоко огорчила Северцова, так как изучение альпийских ледников он рассматривал как подготовку к предстоящей экспедиции на Памир.
В 1874 году Географическое общество в содружестве с Обществом естествоиспытателей снарядило большую экспедицию в низовья Амударьи под общим руководством Н. Г. Столетова.
Руководство естественноисторическим отделом экспедиции было поручено Северцову, поскольку "опытность его и глубокое знание ближайших местностей Средней Азии могли бы принести существенную пользу в предстоящих физико-географических исследованиях".
12 июня из форта Перовский выступил длинный караван верблюдов, навьюченных экспедиционным снаряжением, провиантом и водой в мешках из бараньих шкур (турсуках). Вел его караван-баши. Северцов, ботаник Смирнов и препараторы ехали верхом на лошадях, следом тянулись джуламейки - походные войлочные кибитки. Весь отряд прикрывал казачий конвой.
Это были первые европейцы (после Хивинского похода), решившиеся пересечь Кызылкум летом. Путники изнемогали от зноя и отсутствия питьевой воды. Дорог не было. Шли по пескам, в которых даже привычный к пустыням "джела-учи" (дорожный человек) не раз терял направление и погибал.
Истомленные путешественники лишь на шестой день подошли к берегу Аральского моря и здесь обнаружили первый за весь переход колодец Кунган-Сандал. Жадно припали они к долгожданной влаге. Редкостью были колодцы в пустыне, устройство их считалось делом богоугодным. Кочевники говорили, что капля воды, поданная жаждущему в пустыне, смывает грехи за сто лет.
Северцову нужно было проверить изменение береговой линии Арала по сравнению с его наблюдениями в 1858 году, поэтому в течение десяти дней отряд двигался вдоль побережья.
Дальнейший путь лежал снова через пески западной части Кызылкума. В то время здесь не было даже караванного пути. Зной и жажда вконец измучили людей, падали даже верблюды. Встречались на пути и леса, но и они не приносили ни тени, ни отрады. Редкие приземистые деревья, высотой не более пяти метров, были голы и серы.
Долгих 24 дня отряд преодолевал тяжкий путь между могучими среднеазиатскими реками. Наконец участники перехода ощутили гостеприимную свежесть дельты Амударьи.
5 июля они остановились в маленьком оазисе Клыч-Кала, окруженном возделанными полями и дремучими тугаями. Но недолгим был отдых на этой благодатной земле среди зелени и птичьего гомона. Через несколько дней Северцов приступил к работе. С основной частью отряда он отправился в маленькое тогда урочище Нукус, где Столетовым уже была организована база всей экспедиции.
Северцов, распорядившись о работах и устройстве коллекций, совершил множество экскурсий в дельту Амударьи, то по воде на каюке, исследуя течение и режим реки, осадки, флору и фауну, то верхом на лошади по берегам протоков и островов.
Возвращаться к Сырдарье ученый опять решил через Кызылкум, но теперь, вооруженный опытом, он для облегчения перехода несколько изменил маршрут. Наблюдения дали много нового интересного материала, о чем Северцов сообщает в своих отчетах Географическому обществу. В форт Перовский прибыли 26 октября. Северцову удалось раскрыть тайны еще одного заветного уголка возлюбленного Туркестана.
Вся намеченная программа была осуществлена. С особой тщательностью занимался Северцов наблюдениями над Кызылкумом и Аральским морем.
Кончилась Амударьинская экспедиция, начались новые заботы. Все лето 1875 года Северцов почти безвыездно жил в Петербурге, постоянно бывал в Географическом обществе, участвовал в подготовке к конгрессу. Частенько навещал семью Семеновых-Тян-Шанских.
Доклад Северцова на Парижском конгрессе "О следах ледяного периода на Тянь-Шане", прочитанный на французском языке, был признан одним из лучших. Его "Карта высот Внутренней Азии", экспонированная в русском павильоне на Выставке, привлекла всеобщее внимание. Северцов был удостоен высшей награды конгресса, медали первого класса "За путешествия в Туркестане и исследования Тянь-Шаня".
11 августа 1875 года закончилась работа конгресса. С этого времени имя Северцова как путешественника, зоолога, геолога и географа получило мировую известность.
Поработав в парижских музеях, где он уточнял свои определения некоторых видов животных, Северцов выехал в Лондон. Там он продолжал сравнивать фауну Средней Азии с фауной Индии, Афганистана и Ирана.
Летом 1877 года была снаряжена комплексная Фергано-Памирская экспедиция, и Северцову представился давно желанный случай посетить эту неизвестную горную страну.