Северцову удалось добиться прикомандирования к экспедиции ботаника И. Борщова и препаратора И. Гурьянова. Оба были молоды и полны энтузиазма.
В конце лета 1857 года Северцов начал из Оренбурга путешествие с большим караваном в сторону Эмбы по долинам Илека (система Урала) и Темира (приток Эмбы). Обследовав Северные Мугоджары, он прошел к низовью Эмбы, где открыл выходы нефти (первые сведения о Приэмбинском нефтеносном районе), а затем исследовал северный уступ плато Устюрт. Изучив Южные Мугоджары, он пересек пески Большие Барсуки, обогнув с севера Аральское море, и мимо озера Камышлыбаш вышел поздней осенью к Казалинску, на нижней Сырдарье. Оттуда Северцов двинулся на юг, в пустыню Кызылкум, проследил сухое русло Жанадарьи и описал восточный берег Аральского моря.
К 10 декабря экспедиция вернулись на базу в форт Перовский (ныне – Кзыл-Орда) с богатыми зоологическими, ботаническими и геологическими сборами. Оставшиеся зимние месяцы занимались изготовлением чучел, определяли и этикетировали коллекции, совершали экскурсии в окрестности.
Ранняя весна ошеломила всех буйством цветения и красок. Северцов все время проводил в поле. Помехой в работе стали приступы тяжелой тропической лихорадки. Но далеко не всегда позволял он себе лежать. Часто, превозмогая боль, садился он в седло со своим неизменным ружьем.
В то время на эти земли нередко нападали отдельные группы бродячих кокандцев. Они грабили аулы, угоняли лошадей, терроризировали население. Наиболее безопасным считался район озера Джарты-куль – вверх по Сырдарье. Туда-то и был направлен из форта Перовского отряд солдат на рубку леса для построек. 26 апреля 1858 года вслед за ними двинулся и Северцов.
Он ехал с Гурьяновым и шестью казаками. Внезапно на них напали кокандцы – человек пятнадцать. Гурьянова сразу ранили, часть конвоя умчалась за помощью. Северцов отстреливался, но ружье дало осечку. Кокандец настиг его и, вонзив пику в грудную кость, снял его с лошади.
Сначала Северцова тащили на аркане, потом посадили на лошадь, привязав ноги к стременам. Несмотря на тяжелое состояние, большую потерю крови, мучительную жажду и невероятно трудную дорогу среди знойных песков и зарослей колючек, Северцов держался стойко. Самое поразительное, что он находил в себе силы «наблюдать местность». Приметил необычайно высокий саксаульник, до трех сажен высотой, сову в безводных песках, вид которой определить ему, однако, не удалось, поскольку в схватке он потерял очки. Обратил внимание на почвы, но досадовал, что с лошади не мог различить деталей. Тем не менее впоследствии он записал свои наблюдения.
Кокандцы поняли, что их пленник – личность немаловажная, и повезли его в город Туркестан к своему правителю – беку. Подъезжая к Туркестану, Северцов еле держался на лошади. После допроса его заперли в помещение, «весьма похожее на тюрьму, и даже скверную тюрьму». Настроение и здоровье все ухудшались, исчезла надежда на освобождение.
Так прошло около месяца. Между тем русские власти энергично требовали немедленного освобождения ученого, угрожая военным походом. Туркестанский бек испугался и решил отпустить Северцова.
Через месяц, 27 мая 1858 года, Северцов вернулся в форт Перовский.
Здоровье Северцова постепенно улучшалось. 1 сентября 1858 года он завершил работы в Средней Азии и вместе с отрядом выехал в Оренбург. Здесь составил письменный отчет об экспедиции для Академии наук, все коллекции и материалы отправил с Гурьяновым в Петербург, а сам уехал в Воронежскую губернию долечиваться и повидаться с родными.
Итак, Сырдарьинская экспедиция, рассчитанная на два года, закончилась за 16 месяцев. Программа ее тем не менее была перевыполнена. По материалам экспедиции Северцов составил карты Арало-Каспийской степи, подробно описал рельеф, климат и растительность этого края, отметил процесс усыхания Аральского моря и первый определил древние границы между Каспием и Аралом.
В конце 1859 года Северцов получил заманчивое предложение занять кафедру зоологии в Казанском университете. Но он предпочел войти в Комитет по устройству Уральского казачьего войска, чтобы заняться исследованием нового района. Земля Уральского казачьего войска – в основном правобережье Урала – посещалась многими учеными, но ввиду сложной топографии местности была изучена слабо.
В марте 1860 года Северцов выехал в Уральск в качестве члена комитета. В обязанности ему вменялось «естественно-историческое исследование земли уральских казаков». Кроме того, он добился права вести полевые исследования и по собственной программе.
Северцов многократно посещал Уфу, Оренбург, Уральск и Гурьев, всесторонне обследовал озеро Шалкар с рекой Солянкой, горы Большой и Малый Индер и прилегающие к реке Урал районы. В его работе преобладали тогда общегеографические и экономико-географические исследования.
В октябре 1862 года ученый покинул берега Урала, отправившись за границу. Он хотел сравнить свои коллекции с зарубежными музейными образцами. После плена у кокандцев он искренне думал, что с далекими экспедициями покончено.
Летом 1863 года Северцов согласился переехать в Киев и занять должность профессора зоологии в университете. Но именно в это время готовился поход генерала М.Г. Черняева в междуречье Чу и Сырдарьи. Северцов без колебаний вернулся на трудную и опасную стезю путешественника. Пять лет лелеял он мечту об исследованиях «Высокой Азии», то есть горной части Туркестана.
1 мая 1864 года прибыл он в Верный (Алма-Ата) и вместе с препаратором выступил вслед за отрядом на запад. С Кастекского перевала (Заилийский хребет) открывалась Северцову грандиозная панорама Тянь-Шаньских гор.
Северцову удалось наконец побывать в горах Каратау, на которые в 1858 году он мог лишь с горечью глядеть из своего плена. Теперь он тщательно исследовал их. Осмотрел также бассейны рек Таласа и Чаткала, совершил много высокогорных экскурсий, объездил окрестности Чимкента, Пишпека (Бишкека), Аулие-Аты (Джамбула).
В центре внимания Северцова оказался Киргизский хребет, который поразил его и орографией, и богатством недр, и контрастностью пейзажей на разных высотах. Именно здесь впервые возникла у Северцова развитая им впоследствии мысль о вертикальных зонах – «поясах». Северцова, как и каждого, кто впервые попадает в Среднюю Азию, потрясли контрасты. Контрасты во всем: зной у подножия гор, в то же время дождь на их склонах, а еще выше – снегопад.
Возвращался ученый из экспедиции с богатыми впечатлениями. Он увозил с собой готовый материал для отчета, первую геологическую карту Киргизского хребта, таблицу высот и ценные коллекции.
