14 сентября 1864 года с группой казаков Северцов вышел из укрепления Верный по направлению к горам Тянь-Шаня. Он перевалил хребты Кунгей и Терскей-Алатау. Иссык-Кульская котловина потрясла открывшейся красотой: «Синее небо, синий же Иссык-Куль, между ними белая, зубчатая стена, на первом плане голый, красно-жёлтый берег — вот и весь вид, весьма несложный, но от которого глаз с трудом отрывается: так величественен колорит, так изящны и легки очертания хребта...»

Иссык-Куль вытянут с запада на восток. Он напоминает по форме миндаль. От тридцати до шестидесяти километров — ширина, сто семьдесят семь километров — длина, до семисот метров — глубина.

Среди внутренних водоёмов только Байкал и Каспийское море глубже. И хотя площадь озера сравнительно невелика, объем воды в нём приближается к двум тысячам кубических километров. Водная поверхность зимой не замерзает. Лишь некоторые мелкие заливы покрываются ледяной коркой. Необыкновенна прозрачность Иссык-Куля, потому что его наполняет чистейшая вода ледниковых речек.

Снова встретился Северцов с Иссык-Кулем в следующем году, а затем в 1867-м, когда состоялась самая значительная его Тянь-Шаньская экспедиция. Пройдя по южному берегу озера немного на восток, отряд повернул в ущелье реки Барскаун и поднялся по нему к перевалу, за которым раскинулась равнина сырта, того самого, что впервые обнаружил в центре Тянь-Шаня Пётр Петрович Семёнов. На высоте четырёх километров раскинулась плоская, местами заболоченная равнина, на которой едва заметным ручейком вытекала из болота великая Сырдарья, называемая сначала Нарыном. Открылся, как писал Северцов, «обширный великолепный вид на сырты: гряда за грядой поднимались на нём покрытые пожелтевшим дёрном холмы, как волны моря. Подобно пене на волнах, блестели на них полосы снега. Широкой дугой замыкали горизонт с востока, юга и запада зубчатые хребты, покрытые уже сплошным снегом».

Северцов поднялся на сырты сквозь арктическую метель, а когда она прошла, увидел, что его спутники убили... белого медведя. Это был особый вид медведя, близкий к гималайскому, хотя и с буроватой, но светлой длинной шерстью. Когти не чёрные, а белые, на передних лапах вдвое длиннее, чем на задних. Этого родственника полярного мишки люди застали за следующим занятием: он разрывал норы сурков, вытаскивал зверьков «на свет божий», перегрызал им затылки, складывал тушки в кучу, а потом садился и поедал. Остатки от обеда закапывал впрок. Была осень — время, когда сурки уже готовились к зимней спячке.

Северцов же радовался добытому на сыртах снежному грифу-кумаю, которого он зарисовал и подробно описал. Гигантская горная птица привела его в восторг: размах крыльев Достигал почти трёх метров!

Результатом этого похода для Северцова явились первые страницы книги «Путешествия по Туркестанскому краю и исследование горной страны Тянь-Шань», которая была завершена после трёхлетней работы и вышла в свет в 1873 году. В книге впервые были подробно описаны гигантские горные хребты Тянь-Шаня, широкие впадины и долины, их разделяющие, высокогорные озёра Иссык-Куль и Чатыр-Куль, реки Чу, Нарын... Северцов проник на высокогорное плоскогорье Тянь-Шаньских сыртов, к истокам великой среднеазиатской реки Сырдарьи, и в ясную погоду увидел величественный ледяной массив Хан-Тенгри. Он подтвердил выводы Семёнова о былом мощном оледенении Тянь-Шаня, побывал на нескольких современных ледниках.

Книга вскоре была переведена на немецкий язык и произвела большое впечатление в Европе. Северцов высказал в ней свой взгляд на природу Тянь-Шаня. Первооткрыватель Тянь-Шаня П.П. Семёнов это название отнёс только к могучему хребту, протянувшемуся вдоль южного берега Иссык-Куля. Северцов же дал хребту казахское имя — Терскей-Алатау, а Тянь-Шанем предложил называть всю горную страну, простирающуюся от Балхаша до Ферганы.

Когда Северцов поднялся в снежную, совсем как на севере, бурю по ущелью реки Барскаун на «крышу» сыртов, то записал в дневнике: «Метель была забыта на радостях, что наконец-то ночую за тем самым хребтом Болгар, или Суёк, на который с Зауки и Барскауна только смотрели Семёнов и Проценко и где не было европейской ноги». И добавил с гордостью: «Собрано 4000 экземпляров животных».

Из экспедиции Северцов привёз 3000 гербарных листов и 800 образцов минералов. А главное — карты, которые ещё никто никогда не пытался чертить.

В 1875 году на Парижском географическом конгрессе Николай Алексеевич Северцов делал доклад о своих исследованиях, сосредоточившись на ледниковой теме — «О следах ледникового периода на Тянь-Шане». Он был награждён Золотой медалью Конгресса, изготовленной специально для него, с надписью: «За путешествия в Туркестан и исследования Тянь-Шаня». Русское географическое общество, в свою очередь, наградило Н.А. Северцова большой Золотой медалью имени Литке за проведённые им исследования.

В 1878 году состоялась Фергано-Памирская экспедиция, план которой Северцов представил туркестанскому генерал-губернатору К.П. Кауфману ещё три года назад. Резолюция всесильного генерал-губернатора гласила: «Исследование Памира составляет давнишнюю мою мечту». Эти шесть слов открыли Северцову путь в места, которые после легендарного Марко Поло не посещались никем из европейцев.

Помимо верблюдов, в караване шли навьюченные яки, низкорослые, длинношёрстные быки, «коренные жители» Памира. Через перевал Кызыларт высотой 4280 метров в Заалайском хребте экспедиция вышла к долинам Памира. Рано начавшаяся в «высокогорной Арктике» зима с морозами и снегопадами заставила прервать движение и вернуться на зимовку в киргизский город Ош. Из него Северцов отправился в Ферганскую долину, где и зимой можно было работать. Там совершил несколько исследовательских походов, а 7 июля 1878 года экспедиционный караван вышел из Оша, направившись к Памиру. В самом начале пути при переправе через реку утонул мешок с солью, поэтому срок путешествия пришлось сократить.

Почти месяц занял путь к озеру Кара-Куль, суровому и безжизненному, окружённому голыми скалами. Ландшафт был безрадостный, словно неземной. Ничуть не радостнее оказалась встреча с проточным озером Яшилькуль, реками Гунт и Пяндж, заснеженным хребтом Рушанским.

В этой экспедиции Северцов проник в самое сердце Памира, к озёрам Кара-Куль и Ранкуль, в долину Муксу, в высокогорную пустыню Восточного Памира.

«Орографический очерк Памирской горной системы» — последняя книга учёного. В ней подытожена колоссальная работа, выполненная, по существу, одним человеком, Северцовым. У него было только три помощника — геодезист, ботаник и препаратор. И с этими небольшими силами он исследовал огромную территорию. Гербарий, собранный в Фергане и на Памире, содержал около тысячи видов. До экспедиции наука знала только десять видов животных, обитавших в Фергано-Памирском районе; после экспедиции их число превысило семьдесят.

Северцов впервые доказал существование особой, своеобразной Памирской горной системы, которую он называл «орографическим центром азиатского материка». Учёный установил, что орография, то есть описание гор региона, необыкновенно сложна. Кроме параллельных хребтов, есть и меридиальные, их пересекающие. Они соединяются в ряде мест в гигантские горные узлы, представляющие собой главные центры оледенения. Между параллельными хребтами раскинулись широкие продольные долины; между пересекающимися хребтами — замкнутые котловины. Для Тянь-Шаня характерны поднятые на три-четыре тысячи метров плоскогорья, ограниченные цепями относительно невысоких гор. Это — «сырты», издавна ценимые жителями гор как прекрасные пастбища.

Ещё более сложной системой показался Северцову Памир. Все основные элементы Тянь-Шаньского рельефа встречаются и на нём. Но если на Тянь-Шане преобладают хребты, то на Памире большую роль играют внутренние плоскогорья. Это переход к Тибетской системе, где гигантские высокие плоскогорья занимают уже господствующее положение.