В летние сезоны 1890–1891 годов увлеченный молодой специалист провел геологическое обследование Ленского золотоносного района — самого крупного в то время поставщика золота в России. По пути к дальним приискам ему пришлось пробираться через совсем неизученные места. Он вспоминал впоследствии:
«Я побывал также в верховьях реки Накатами и на гольцах к северу от них, на которые поднялся по долине одного из ключей, стекающих в эту реку. Эти гольцы принадлежат водоразделу, который тянется далеко с востока на запад и отделяет правые притоки реки Витима от притоков реки Вачи, бассейна реки Олёкмы. <…> С высоты их, достигающей 1 600—1 700 метров над уровнем океана, открывается обширный вид: во все стороны до горизонта тянутся плосковолнистые гряды гор, покрытые сплошной тайгой, над которой местами поднимаются выше куполообразные вершины, уже безлесные, то есть гольцы. Этот водораздельный хребет, на который я поднялся, не имел ни на картах, ни у приискового населения отдельного названия; его именовали просто гольцы. Я назвал его хребет Кропоткина — в честь геолога и революционера, который первым в 1866 году пересек и описал его во время своей экспедиции с Ленских приисков в город Читу».
Наблюдения на Ленских приисках позволили В. А. Обручеву составить подробный отчет о геологии Олёкминско-Витимского приискового района. Отчет содержал много совершенно нового как о геологическом строении района, так и о происхождении золотоносных россыпей. Обручев не раз давал ценные рекомендации управляющим приисками, позволившие удешевить работы и расширить районы добычи.
Итоги двух летних сезонов были впечатляющими. Изучение геологии Ленского района позволило Обручеву составить общий геологический очерк этой местности и выяснить основные особенности местных золотоносных россыпей. Отчет давал и практические указания золотопромышленникам, где и как искать новые россыпи в Олекминско-Витимском приисковом районе.
Весной 1892 года В. А. Обручев неожиданно получил телеграмму от президента РГО с предложением принять участие в экспедиции известного путешественника Г. Н. Потанина по Китаю и восточной окраине Тибета. В сентябре он выехал из Кяхты на границе с Монголией и проследовал по караванной дороге через Ургу (теперь Улан-Батор) и Калган в Пекин, где встретился с Г. Н. Потаниным и остальными членами экспедиции.
Обручеву был предложен особый план самостоятельной работы, составленный профессором Мушкетовым. Ему пришлось путешествовать отдельно от основной группы — в сопровождении только проводника и переводчика, а иногда и без переводчика. В январе 1893 года он прошел по южной окраине Ордоса (обширный район в излучине Хуанхэ, страна барханных и бугристых песков), перевалил Алашанский хребет и восточную часть гор Нанынань и добрался до города Ланьчжоу, столицы провинции Ганьсу. Через горы Нанынань он перебирался еще трижды, уходил в глубь пустыни Гоби, поднимался к живописному горному озеру Кукунор, посетил плоскогорье Цайдам и город Синин, затем углубился в Центральную Монголию до южного подножия гор Гурбан-Сайхан, восточной группы Монгольского Алтая, повернул на юго-восток и вышел через горные цепи Центральной Монголии к реке Хуанхэ, после чего добрался до северной части провинции Сычуань. Там он узнал, что Потанин из-за смерти жены, которая была с ним в экспедиции, свернул работы и покинул Китай.
Обручев продолжил исследования. За два года он прошел пешком и проехал верхом на лошадях, мулах и верблюдах около 14 тысяч километров по горным дорогам, а также через пустыни и полупустыни Центральной Азии. Маршрутная съемка с ежедневным вычерчиванием карты велась на протяжении 10 тысяч километров. Регулярные записи с указанием направления движения и протяженности пути, с описанием местности позволили ему исправить и дополнить существовавшие тогда карты. Собранная им геологическая коллекция включала 7 тысяч образцов, в ней было 1 200 образцов с отпечатками ископаемых животных и растений. А сам отважный путешественник и большой ученый оценил свою работу скромно: «Мои исследования по необходимости стали маршрутными — это была, в общем, только геологическая рекогносцировка Центральной Азии».
Безусловно, это путешествие Владимира Афанасьевича Обручева оказалось исключительно значительным в части географических открытий и теоретических обобщений. Он нанес на карту обширные области Центральной Азии, открыл шесть неизвестных ранее обширных хребтов, выяснил рельеф пустыни Гоби и громадных горных хребтов Наныпаня и Восточного Тянь-Шаня. Именно наблюдения в Гоби и Северном Китае позволили В. А. Обручеву сформулировать существенные поправки в принятую в те времена гипотезу о происхождении лёсса — плодородного желтозёма, состоящего из песчинок с частицами глины и извести, которым покрыты огромные пространства Северного Китая (там лёсс покрывает толщей в 10–20, а местами даже в 100–200 метров склоны гор, плоскогорья и равнины). Он считал, что «лёсс представляет продукт выветривания… коренных пород, вынесенный в виде пыли центробежными ветрами из Центральной Азии на ее окраины и отложенный под защитой растительности сухих степей. Мощный лёсс Северного Китая не отлагался тут же ветрами и дождями при выветривании местных пород, а вынесен из Центральной Азии и продолжает еще отлагаться, несмотря на его расчленение эрозией».
Важнейшее значение имели его находки в Монголии остатков древних млекопитающих (в частности, зуба древнего носорога, жившего десятки миллионов лет назад) — это доказывало то, что в этом районе не было древнего моря, как предполагали ученые. Он собрал ценный этнографический материал, связанный с трудом и бытом местного населения.
Работы по изучению Центральной Азии и Северного Китая не остались без внимания. За них РГО наградило В. А. Обручева премией Пржевальского и Константиновской (большой золотой) медалью.
В конце мая 1895 года В. А. Обручев возвратился в Иркутск. В это время началось строительство Транссибирской железнодорожной магистрали. Обручев как начальник горной партии в течение четырех лет руководил геологическими исследованиями территорий, на которых строилась железная дорога. Он лично изучил южную часть Западного Забайкалья (от озера Байкал до города Читы), а два его помощника — молодой горный инженер А. П. Герасимов и геолог А. Э. Гедройц — работали в южной части Восточного Забайкалья (от Читы до слияния рек Шилки и Аргуни, образующих реку Амур).
В начале июня Обручев выехал из Иркутска и, переплыв Байкал на пароходе, добрался до Верхнеудинска (теперь Улан-Удэ). Оттуда он направился через хребет Цаган-Дабан на юг, до долины реки Тугнуй. Началось детальное геологическое обследование всего района. Небольшой караван проходил за день 20–30 километров. Обручев осматривал все выходы горных пород вдоль трассы будущей железной дороги. Приходилось отъезжать и в стороны, если там показывались обнажения.
Понадобилось три раза пересечь Яблоновый хребет. Была обследована долина реки Ингоды. На востоке эту долину окаймлял безымянный хребет. Обручев обозначил его по предложению своего помощника Герасимова как хребет Черского — в честь знаменитого путешественника, исследователя Восточной Сибири.
В следующий летний сезон были изучены горные хребты Цаган-Дабан, Заганский и Малханский, затем хребты Моностой и Хамбинский на левом берегу реки Селенги, а также берега реки Хилки и долина реки Никоя, обследованы расположенные в этом районе месторождения угля и железной руды.
Обручев убедился в наличии слоистых, очевидно озерных, наносов на перевале через Яблоновый хребет. Он сделал вывод, что в четвертичный период долины всей Селенгинской Даурии были заняты озерами и через Яблоновый хребет эти озера сообщались с озерами Амурского бассейна. Именно этим он объяснил проникновение в озеро Байкал тюленя и морской кремневой губки.
Весной 1901 года Обручев был назначен начальником Ленской геологической партии для проведения геологической съемки всего золотоносного бассейна реки Бодайбо, притока Витима. Этот бассейн был главным по добыче золота в Ленском районе. В течение летнего полевого сезона начальник вместе с двумя молодыми помощниками-геологами провел геологическое обследование всего бассейна реки Бодайбо, подробно изучил подземные и открытые работы на приисках этого района.
В том же 1901 году Обручева пригласили в учрежденный в 1900 году Томский технологический институт. Став профессором геологии и деканом горного отделения (первой в Сибири высшей горной школы), он читал лекции по физической и полевой геологии, рудным месторождениям и петрографии, организовал геологический кабинет и библиотеку.
В летние сезоны 1905, 1906 и 1909 годов профессор Обручев провел экспедиции в Пограничную Джунгарию (Синьцзян), так как его особо интересовала почти не исследованная область Внутренней Азии, расположенная на стыке горных систем Алтая и Тянь-Шаня. В экспедицию 1905 года он взял с собой сыновей — 17-летнего Владимира и 14-летнего Сергея, чтобы познакомить их с условиями жизни и работы путешественника. После обследования хребта Манрак в конце экспедиции Обручев и его спутники спустились в город Зайсанск (теперь Зайсан). Оттуда по почтовому тракту через Усть-Каменогорск и Змеиногорск они поехали в Барнаул, где сели на пароход, доставивший их в Томск. Экспедиции 1906 и 1909 годов позволили собрать дополнительный материал по геологии хребтов и долин Пограничной Джунгарии. Наблюдения в ходе всех трех экспедиций помогли ученому глубже понять геологическое строение Центральной Азии.
Весной 1912 года Томский технологический институт подвергся ревизии Министерства народного просвещения, вызванной студенческими забастовками. После этого В. А. Обручев был вынужден подать в отставку и переехать в Москву. Летом 1918 года Владимир Афанасьевич поступил на службу в Высший совет народного хозяйства, который направил его в Донбасс для разведки цементных материалов и огнеупорных глин. Гражданская война не дала ему возможности возвратиться в Москву, и он в 1920–1921 годах читал лекции по геологии в Таврическом университете, в Симферополе, в Москве