Непосредственное общение с живой природой много дало молодому учёному. Северцов открыл бесчисленное многообразие её зависимостей. Свои исследования он продолжил уже в местах очень далёких от родной ему воронежской земли.

Молодому лауреату Демидовской премии доверили руководство экспедицией, снаряженной Академией наук в низовье Сырдарьи. В мае 1857 года вместе с ботаником Борщовым и препаратором Гурьяновым он выехал из Петербурга в Оренбург, из которого в конце лета и началось собственно путешествие. Караван, пройдя возвышенность Северные Мугоджары, вышел к нижнему течению реки Эмбы, теряющейся среди солончаков на пути к Каспийскому морю. Здесь Северцов обнаружил (первым!) признаки нефтяного месторождения, исследовал Мугоджары, северную часть плато Усть-Урт и через пустыню Большие Барсуки вышел к Аральскому морю, обогнув его с севера. Лето уже кончилось, когда отряд подошёл к городу Казалинску в низовьях Сырдарьи. Не задерживаясь в нём, Северцов углубился в пустыню Кызылкум, нашёл сухое русло бывшей реки Жанадарья, по нему прошёл к восточному берегу Аральского моря, составил его описание и вернулся на экспедиционную базу, устроенную в форте Перовском.

В это время готовился дать сражение «белому царю» хан Коканда Худояр, обосновавшийся в защищённой со всех сторон горами Ферганской долине. Он выслал разведывательный отряд далеко на север, к форпостам русских войск у Аральского моря. И тут случилось событие, к которому в течение некоторого времени было приковано внимание всей России.

Форт Перовский (ныне город Кзыл-Орда) был окружён пустынной степью; между фортом и ближайшей пограничной крепостью Кокандского ханства лежала двухсоткилометровая полоса нейтральной земли. В пределах её начинались западные отроги совершенно неизвестного науке хребта Каратау. Дойти до них, исследовать изменения в характере животного мира, по пути познакомиться с геологией и посмотреть, не скрывают ли горы ископаемых богатств, было мечтой Северцова. Впоследствии он побывал в Каратау и открыл там месторождение каменного угля. Однако сейчас ему не повезло...

Северцов отправился вверх по Сырдарье и вдоль восточного берега Аральского моря вслед за отрядом казаков, посланным на заготовку дров в пойменных лесах. Проливной дождь, редкий в этих местах, внезапно обрушился на путников в саксаульнике. Дождь превратил илистую почву в грязное болото. У Северцова во время дождя часто повторялись жестокие приступы давней лихорадки. Утром 26 апреля 1857 года он почувствовал себя плохо. Но всё-таки, превозмогая недуг, после полудня выехал из лагеря с препаратором, тремя казаками и двумя киргизами-проводниками.

Вдруг за грядой барханов проводники увидели вооружённых всадников, устремившихся навстречу отряду. Северцов — начальник отряда, ему надо организовать отражение неожиданного нападения. Но он — учёный, человек мирный, командовать — не его дело.

«Вместо решительной команды, — вспоминал позже Северцов, — не допускающей возражений и заставляющей наших солдат и казаков побеждать или умирать, я высказал только своё мнение... Не мне, мирному зоологу, распоряжаться чужой жизнью».

Кокандцы, а их было человек пятнадцать, быстро приближались. «Надо спасаться! Уходим!» — закричали казаки, поворачивая лошадей. Преследователи дали залп, другой... Упала лошадь препаратора. Северцов приостановился, советуя помощнику спрятаться в зарослях колючки. Минутная задержка оказалась роковой.

Кокандцы догнали зоолога, один из них кольнул его пикой. Северцов выстрелил в упор... Подоспевшие товарищи убитого окружили Северцова, на него посыпались сабельные удары. Лишь вмешательство вожака отряда спасло учёного. Ему связали руки и повели в плен.

Тут Северцову пригодилось знание языка. «Пеший конному не товарищ», — произнёс он. Тогда его посадили на лошадь, привязав, правда, ноги к стременам. Оказавшись на одном уровне с кокандцами, Северцов попытался уговорить их отпустить его: «Мне надо уйти, я вам не нужен...»

Хотя отпускать русского кокандцы не собирались, но отнеслись к нему с достаточным вниманием.

Несмотря на то что опасность погони была велика, Северцову разрешали пить воду из каждого встречного ручейка. Более того, предводитель отряда, хорошо говоривший по-русски, «развлекал» пленника разговором. Вскоре опустилась ночь, и надежда на то, что казаки догонят и спасут, исчезла...

В русских газетах появилось сообщение о том, что при схватке отряда казаков с кокандцами был взят в плен коллежский асессор Северцов, начальник учёной экспедиции для исследования киргизских степей. В бою он получил двенадцать ран от сабель и пик. Только случай спас Северцова от смерти. Его увезли за 170 вёрст в пограничную крепость Яны-Курган.

Месяц провёл Николай Северцов в плену. Когда вернулся, то продолжал свои работы, не думая о том, чтобы сменить род занятия на более безопасный.

В 1864 году Киевский университет предложил Н.А. Северцову стать профессором по кафедре зоологии. Он согласился, но, узнав о предполагавшемся походе генерала М.Г. Черняева на Тянь-Шань, переменил своё решение. Северцов занял должность чиновника по особым поручениям при туркестанском генерал-губернаторе, лишь бы получить возможность побывать на Тянь-Шане.

Человек науки, по натуре чуждый всему военному, он часто невольно оказывался втянутым в рискованные военные операции. Вот и теперь, через семь лет после пленения кокандцами, когда Северцов, по выражению П.П. Семёнова-Тян-Шанского, «едва не сделался жертвой собственной любознательности», он опять оказался в гуще военных действий.

Сначала Северцов исследовал междуречье среднеазиатских рек Сырдарьи и Чу в примыкающем к Тянь-Шаню Зачуйском крае. Полгода провёл он там, составил геологическую карту, открыл ряд месторождений полезных ископаемых, в том числе каменного угля. Потом вернулся к песчаным берегам Аральского моря, приняв участие в экспедиции Русского географического общества в низовьях Амударьи. Цель — установить причины сокращения площади Аральского моря и провести геологическую съёмку на берегах Амударьи. Караван вышел из Перовска (теперь — город Казалинск).

Это был первый поход русской экспедиции через пустыню Кызылкум. Он пришёлся на невыносимо жаркое летнее время. «Безмолвие здесь казалось абсолютным, — писал Северцов, с удивлением обнаружив в песках следы былой жизни: развалины древних крепостей и арыков, — в таких глубоких песках, где теперь не только жить, но кочевать нельзя». Но, видимо, много веков назад в теперешней пустыне жило много людей. Они возделывали поля, строили города, разводили сады. Значит, здесь была вода. Она наполняла высохшие теперь русла рек, но по какой-то причине ушла, а вместе с ней ушла и жизнь. Но стоит вернуть воду — край вновь расцветёт! Северцову приходит мысль: если соединить Амударью и Сырдарью через высохшие русла, когда-то заполнявшиеся водой, то можно возродить не только земледелие в оазисах, но и судоходство. Можно провести и железную дорогу. Гипотеза Северцова об усыхании Аральского моря, вызванном изменением климата, и его проект обводнения пустыни впоследствии встретили поддержку в Географическом обществе со стороны П.А. Кропоткина и И.В. Мушкетова. Молодой учёный первый поведал Обществу о трагической судьбе Аральского моря, которая по-настоящему была осознана только в конце XX века.

Путешествуя в жаркой пустыне, Северцов не забывал о холодных ледниках. Прикомандировавшись к отряду генерала Черняева, он стремился проникнуть в Центральный Тянь-Шань, грандиознейшую горную страну, края которой коснулся П.П. Семёнов-Тян-Шанский. Идти с передовым военным отрядом — единственная возможность попасть на Тянь-Шань, и Северцов выполнял обязанности начальника штаба, делал топографическую съёмку, водил отряд на штурм крепости. Однажды он даже взял на себя роль парламентёра, третьего по счёту — двух первых казнил кашгарский властелин Якуб-хан.