В 1864 г., отказавшись от доцентуры в Киевском университете, он окончательно выбрал путь полевого исследователя-путешественника и, присоединившись к русскому военному отряду, продолжил изучение Тянь-Шаня, начатое П.П. Семеновым. Летом Северцов из Верного, перевалив Заилийский

Алатау, прошел на запад до города Аулие-Ата (теперь Джамбул) вдоль северных склонов Киргизского хребта, лишь за год до этого (1863 г.) впервые снятого на карту военными топографами, изучая его геологию и рельеф. Затем он посетил Каратау и исследовал бассейны рек Талас (теряется в песках Муюнкум) и Чаткал (система Сырдарьи). Здесь он выявил два параллельных хребта — Каржантау и Пскемский. В 1865—1866 гг. он снова исследовал Каратау и бассейн р. Чирчика. В результате работ 1864—1866 гг. Северцов впервые установил геологическую связь хребтов между pp. Чу и Сырдарьей и доказал, что хребет Каратау (длина 420 км) является северо-западным отрогом Тянь-Шаня.

Осенью 1867 г. Северцов принимал участие в крупной Туркестанской ученой экспедиции. Следуя с небольшим отрядом из Верного, он обогнул с востока Иссык-Куль, перевалил хребет Терскей-Ала-Тоо у 77°40' в.д. и вышел к верховьям Нарына. При этом он дал классическую характеристику тянь-шаньского сырта: «…я увидел обширный великолепный вид на сырт: гряда за грядой поднимались на нем покрытые густым пожелтевшим дерном холмы, как взволнованное море; как пена на волнах, белели на них полосы снега. Что дальше, то выше поднимались холмы, все уступами над взволнованной степью, чаще и чаще становились на них снежные полосы, и широкой дугой замыкали горизонт с востока, юга и запада огромные зубчатые хребты, покрытые уже сплошным снегом, но и те поднимались волнистыми уступами. Солнце склонялось уже к закату, и освещенные снега дальних хребтов горели расплавленным золотом, рядом с которым тем холоднее казались густые, пурпурно-синеватые тени снежных же лощин…»

Северцов по снегу пересек сырты в юго-западном направлении[54] и через несколько перевалов в начале октября снова вышел к Нары ну, затем на юге исследовал долины рек Ат-Баши (система Сырдарьи) и Аксай (бассейн Тарима) и проник в юго-западную часть хребта Какшаал-Тоо до 41° с.ш. Он был первым европейцем, прошедшим в эту часть Центрального Тянь-Шаня. Из-за сильных холодов к середине октября путешественник повернул обратно на север, к Нарыну, и через перевал Долон (у 75°40'), долину р. Джоон-Арык и Боамское ущелье в конце октября 1867 г. прибыл в Токмак, на р. Чу. Позднее по материалам, собранным во время этого первого пересечения Центрального Тянь-Шаня с юга на север, Северцов разработал орографическую схему Тянь-Шаня, под которым понимал «целую горную систему». Он пришел к выводу, что широкие тянь-шаньские долины представляют собой дно исчезнувших озер.

В 1868 г. военный топограф Федор Петрович Петров провел на высоте 3 тыс. м рекогносцировку Центрального Тянь-Шаня в районе озера Сонг-Кёль. Летом 1869 г. военный отряд под начальством Александра Васильевича Каульбарса, которому Петров был подчинен, выступил на разведку путей через Южный Тянь-Шань в Восточный Туркестан и Ферганскую долину. От восточной оконечности Иссык-Куля отряд, перевалив Терскей-Ала-Тоо, прошел к верховьям Нарына и Сары-Джаза. Петров нанес на карту короткий, но мощный хребет, Ак-Шыйрак (до 5125 м), и обнаружил там ряд огромных ледников; наиболее крупный (около 17 км) назван его именем. Он выяснил также, что из ледника Петрова берет начало р. Нарын. К востоку он закартировал, правда не совсем точно, хребты Керлюу-Тоо и Сары-Джаз. Из горной долины у 79° в.д. Петров увидел на юге неизвестный огромный вечноснеговой хребет с крутым северным склоном — Какшаал-Тоо. Исследователи прошли вдоль него на юго-запад за 77° в.д. к верховьям р. Какшаал (как и Сары-Джаз системы Тарима), проследив на всем протяжении хребет Борколдой (длина около 100 км), далее, на юго-западе, — несколько коротких кряжей. За ними виднелась большая, выгнутая к югу горная дуга, с двуглавым белым конусом (до 4960 м), достигающая на западе озера Чатыр-Кёль (юго-западный участок Какшаал-Тоо). А на юг от р. Какшаал Петров усмотрел еще один снеговой хребет — Майдантаг (до 4556 м). Как правильно объяснили проводники, он тянется по всему правому берегу р. Какшаал почти до устья. Подъем отряда Каульбарса к озеру Чатыр-Кёль на высоте 3530 м сопровождался почти ежедневными снежными буранами. Повернув на северо-восток, Петров добрался до р. Нарына у 76° в.д. и исследовал Нарынскую котловину до Ферганского хребта. К югу от котловины он нанес на карту хребет Ат-Башы (135 км), к северу — хребты Молдо-Тоо (около 150 км) и за 42-й параллелью — Джумгал-Тоо (свыше 100 км). Он проследил Ферганский хребет вдоль крутого восточного склона на половину длины, трижды поднимался на перевалы и довольно точно заснял его, правильно продолжив к юго-востоку до озера Чатыр-Кёль (длина хребта 225 км). От Нарына отряд Каульбарса через ряд перевалов направился в долину р. Таласа, причем Петров определил положение и длину хребта Суусамыр-Тоо (около 125 км). Рекогносцировка была закончена в городе Аулие-Ата (Джамбул). По ее материалам Петров составил карту Нарынского края.

Летом 1870 г. военный отряд под командой П.А. Аминова, выйдя из Самарканда, проник к истокам р. Зеравшан, где обнаружил большой ледник. Топограф Август Иванович Скасси нанес на карту все верхнее течение этой значительной реки (длина ее 877 км) и точные контуры двух широтных хребтов, «сжимающих» Зеравшан, — северного, Туркестанского (около 340 км) и южного, Зеравшанского (около 370 км). От устья Фандарьи, где к группе присоединился молодой натуралист Алексей Павлович Федченко, все проследовали на юг к маленькому красивому озеру Искандеркуль, на склоне Гиссарского хребта. Оттуда исследователи передвинулись на восток на р. Ягноб (одна из составляющих Фандарьи), текущую параллельно Зеравшану. Скасси и горный инженер Дмитрий Константинович Мышенков осмотрели Гиссарский хребет с перевала Анзоб (3372 м) и выяснили, что он также простирается в широтном направлении и выше Туркестанского и Зеравшанского хребтов. Из-за болезни Аминова исследование Гиссара пришлось прекратить и вернуться в Самарканд. Мышенков проехал оттуда на северо-восток и осмотрел полупустынный хребет Мальгузар (около 60 км) — невысокий (до 2621 м) северо-западный отрог Туркестанского хребта. Летом 1871 г. А.П. Федченко, выйдя из Коканда, проследил долину р. Исфары до верховьев и открыл там, в восточной части Туркестанского хребта, большой ледник[55], названный в честь исследователя Алтая Григория Ефимовича Щуровского, и ряд пиков высотой до 5621 м. Пройдя межгорными ущельями к северным склонам Алайского хребта, Федченко исследовал их, затем проехал на юго-восток Ферганской долины, к р. Исфайрамсай, поднялся по ней до истоков и перевалил Алайский хребет. Вид с перевала у 72° в.д. заставил его остановиться: на юге перед ним открылась панорама исполинских снеговых вершин. Это был огромный широтный хребет (длиной 240 км), который Федченко назвал Заалайским. Он довольно верно оценил среднюю высоту хребта и отметки нескольких вершин. (Но высшая точка его — пик Ленина, 7134 м, точно установлена только советской Памирской высокогорной экспедицией в 1928 г.) Федченко правильно решил, что Заалайский хребет составляет северную часть Памирского нагорья, строение которого он в общих чертах охарактеризовал как «сумму высоких плоскогорий». Спустившись затем в Алайскую долину, он дал ее подробное описание, определив как высоко приподнятое плоскогорье. Федченко обследовал протекающую по Алайской долине р. Кызылсу и низовье Муксу (обе реки составляют Сурхоб) и указал, что многоводность Муксу следует объяснить существованием к югу от Заалайского более высоких хребтов. Он повернул на северо-восток, вновь перевалил Алайский хребет, проследил у 40-й параллели короткий хребет Кичик-Алай и долиной р. Акбуры спустился к городу Ош. Главным результатом путешествия, как отмечал он сам, было выяснение орографии территории к югу от Ферганы. Федченко обнаружил здесь ряд широтных цепей, «последовательно все более и более высоких в направлении к югу… и разделенных более или менее длинными и обширными долинами». Маршрут вдоль северных склонов Алая позволил ему сделать вывод о принадлежности гор бассейна Зеравшана к Тянь-Шаню (ныне их относят к Гиссаро-Алайской системе). Из Оша Федченко со съемкой прошел через Андижан, Наманган и Чует, оконтурив эллиптическую Ферганскую котловину (22 тыс. км²), и закончил путешествие в Ташкенте. Он собрал богатую зоологическую, главным образом энтомологическую, коллекцию и установил общность форм животного и растительного мира Памиро-Алая, нагорной Центральной Азии и Гималаев[56].