В середине августа 1876 года Пржевальский вместе с помощником Ф.Л. Эклоном, двигаясь вверх по долине реки Или и её притока Кунгеса, преодолели главную цепь Восточного Тянь-Шаня. Пржевальский обнаружил, что эта горная система разделяется на два ответвления, между которыми находятся высокие изолированные плато Их-Юлдуза и Бага-Юлдуза. К югу от пересечённого путниками хребта Куруктаг начиналась пустыня Тарима и Лобнора – самая, по словам Пржевальского, дикая и бесплодная, «хуже даже Алашаньской». Пржевальский описал низовья реки Тарим, установил восточную границу пустыни Такла-Макан. Далее он открыл не известный ранее географам хребет Алтынтаг и предположил, что плато к югу от него представляет собой северную часть Тибетского нагорья.

Совершенно неизученным до Пржевальского было и озеро Лобнор. В феврале 1877 года путешественник достиг озера и затем исследовал его южный и западный берега. Вывод был такой: всё озеро сплошь покрыто зарослями густого мелководного тростника, свободные участки встречаются изредка, а вода в озере светлая и пресная. В то же время, согласно китайским источникам и мнению авторитетного географа Рихтгофена, Лобнор – озеро солёное и лежит оно севернее, чем на карте Пржевальского. Кто был прав, показало время. Как пишет известный географ Э.М. Мурзаев, «Пржевальский был совершенно прав, когда утверждал, что он открыл, описал и правильно определил координаты Лобнора, но и Рихтгофен был прав… Лобнор оказался кочующим водоёмом, ибо он полностью зависит от положения рек, снабжающих его водой».

В марте 1879 года Пржевальский с помощником В.И. Роборовским и отрядом из двенадцати человек двинулся на юго-восток от Зайсана, пересёк Джунгарскую Гоби и, пройдя восточную окраину Гашунской Гоби, к югу от низовьев реки Данхэ обнаружил «громадный вечноснеговой» хребет Гумбольдта (Улан-Дабан, длина около 250 км, вершины 5300–5400 м). После передышки в оазисе Хами (важном торговом и стратегическом пункте) экспедиция направилась к городу Са-Чжоу через пустыню, со всеми «прелестями» – тяжелой атмосферой, костями животных, горячими вихрями солёной пыли, миражами и почти полным безводьем. После двух недель этого пекла Пржевальский прошёл на юг к равнине Сартым, пересёк её и открыл хребет Риттера (Дакэн-Дабан, длина около 200 км, вершины высотой более 5 тысяч м) и два меньших.

Короткая передышка в посёлке Дзун – и Пржевальский двинулся на юго-запад, где выяснил, что хребет Куэнь-Лунь имеет здесь широтное направление и состоит из двух-трёх параллельных цепей. Были открыты хребты Сасун-Ула и Бокалыктаг (с вершиной 6300 м), названный им в честь Марко Поло. К югу от него Пржевальский обнаружил хребет Бунгбура-Ула (вершина 5800 м), тянущийся вдоль левого берега верховья Янцзы, и широтный хребет Тангла (с вершинами до 6100 м).

Далее к югу простирался уже собственно Тибет, представляющий, как писал Пржевальский, «…грандиозную, нигде более на земном шаре в таких размерах не повторяющуюся стоповидную массу, поднятую… на страшную высоту. И на этом гигантском пьедестале громоздятся… обширные горные хребты… Словно стерегут здесь эти великаны труднодоступный мир заоблачных нагорий, неприветливых для человека по своей природе и климату и в большей части еще совершенно неведомых для науки…».

Экспедиция Н.М. Пржевальского (1879–1880 гг.)

С перевала на высоте около 5000 м, пройдя около 120 км на юг, Пржевальский увидел, что находится примерно в 300 км от Лхасы, закрытой для европейцев. Путешественникам пришлось повернуть обратно: стало известно, что в Лхасе распространился слух, будто русские хотят похитить далай-ламу.

Во время этого путешествия Пржевальский прошёл более 8 тысяч км и произвёл съемку 5 тысяч км путей по не исследованным европейцами районам Центральной Азии, открыл дикую лошадь и медведя-пищухоеда. В.И. Роборовский собрал коллекцию из 12 тысяч экземпляров растений, представляющих полторы тысячи видов. В 1883 году вышла книга Н.М. Пржевальского «Из Зайсана через Хами в Тибет и на верховья Жёлтой реки».

В этот поход Пржевальский взял двух помощников – к В.И. Роборовскому присоединился П.К. Козлов. А всего в экспедицию отправился 21 человек. В мае 1884 года экспедиция прибыла в Дзун, чтобы отправиться на юго-восток от Цайдама, где за хребтом Бурхан-Будда было обнаружено солончаковое волнистое плато, на котором паслись многочисленные стада яков, куланов, антилоп и других диких животных.

За время пребывания в этих местностях экспедиция два раза подверглась нападению тангутов и голыков – представителей местных племен. В первый раз бивуак атаковали два конных отряда, но были отбиты. Несмотря на понесённый урон, «тангуты» не оставляли своих намерений. Чтобы показать наглецам, с кем они имеют дело, Пржевальский решился перехватить инициативу, несмотря на отсутствие семерых казаков, отправленных на склад. Четырнадцать русских путешественников сами атаковали лагерь противника! Навстречу им высыпало триста верховых, но при сокращении дистанции до выстрела разбойники пустились наутек.

В другой раз человек 300 конных тангутов атаковали стоянку Пржевальского на берегу открытого им озера Русского. Как это выглядело, описал сам начальник экспедиции:

«Гулко застучали по влажной глинистой почве копыта коней, частоколом замелькали длинные пики всадников, по встречному ветру развевались их суконные плащи и длинные черные волосы… Словно туча неслась на нас эта орда, дикая, кровожадная… С каждым мгновением резче и резче выделялись силуэты коней и всадников… А на другой стороне, впереди нашего бивуака, молча с прицеленными винтовками стояла наша маленькая кучка – четырнадцать человек, для которых не было иного исхода, как смерть или победа…».

Нападающие были встречены залпами, но продолжали скакать, и только когда их главарь, под которым была убита лошадь, побежал назад, вся шайка, повернула в сторону и спряталась за ближайший увал. «Тут они спешились и открыли пальбу по путешественникам, стоявшим на ровном месте. Тогда, оставив на бивуаке шестерых, Пржевальский отправился выбивать тангутов из их убежища. Последние встретили их пальбой, которая, впрочем, скоро затихла, и, когда нападающие взобрались на увал, оказалось, что тангуты бросили свою позицию и скрылись за следующим увалом. Но и отсюда они были выбиты; а в то же время другой отряд, бросившийся на бивуак, был отражён» (М.А. Энгельгардт).

Перевалив хребет Баян-Хара-Ула (водораздел истоков Хуанхэ и Янцзы), отряд Пржевальского очутился в высокогорной стране, где склоны круты, а вершины высоки и труднодоступны. Вернувшись к Цайдаму, Пржевальский открыл на юго-западе узкий, но мощный хребет Чиментаг. За ним, далеко на юге, был обнаружен гигантский хребет Аркатаг. После четвёртой экспедиции карта Центральной Азии обогатилась ещё многими названиями: Долина Ветров, хребты Загадочный (ныне – Пржевальского), с вершиной (7720 м) «Шапка Мономаха», Московский, Русский и примыкающий к нему Музтаг (вершина 7282 м), озеро Незамерзающее (солёное, расположенное на высоте 3867 м).

Четвёртое путешествие Пржевальского было последним. В 1888 году вышла его последняя работа «От Кяхты на истоки Желтой реки».