Сразу после похода генерала Черняева и присоединения к России Зачуйского края в 1865 году по инициативе Географического общества была снаряжена правительственная Туркестанская ученая экспедиция на Тянь-Шань. Эта почти неизвестная тогда горная система за высоту и неприступность называлась Небесными горами.
Северцову поручили руководство физическим отделом. На этот раз вместе с ним поехала в Туркестан и его молодая жена, Софья Александровна Полторацкая. В экспедиции Софья Александровна помогала мужу в ботанических и энтомологических сборах и делала нужные ему зарисовки. Правда, она провела в Туркестанской экспедиции всего один год, до рождения сына Алексея.
Из Оренбурга выехали в начале ноября в двух экипажах. 16 декабря прибыли в Чимкент, где провели зиму и весну 1866 года. Работа ограничивалась сбором коллекций лишь в окрестностях города и сортировкой этих коллекций. Лишь с 5 мая до начала июля Северцову удалось почти полностью повторить маршрут 1864 года; за это время им было сделано значительно больше, чем за пять предшествующих месяцев.
14 сентября 1867 года началось самое значительное исследование собственно Тянь-Шаня – поездка в центральную его часть – на Нарын и Аксай. Северцов с отрядом в 15 человек, проводниками, двумя переводчиками и 40 стрелками направился из Верного к югу по реке Тургени (приток Или) к Заилийскому Алатау. Через Карача-Булакский перевал подошли к восточной оконечности озера Иссык-Куль.
База располагалась в маленьком укреплении Аксу близ устья реки Каракол. После короткого отдыха Северцов впервые близко подошел к озеру Иссык-Куль. Исследовав его берега, экспедиция перевалила через Терскей-Ала-Тоо и по Барскаунскому ущелью направилась к югу.
На перевале Барскаун попали в туман с мелкой снежной изморозью. Потом началась метель с сильным ветром. Путешественники были легко одеты, так как раньше стояла теплая погода. Промокшие и застывшие, они разбили лагерь в южных предгорьях хребта Суек у замерзшего озерка.
Здесь Северцов открыл новый вид мелких, очень красивых птиц, которых он назвал «расписная синичка».
Северцов по снегу пересек сырты в юго-западном направлении и через несколько перевалов в начале октября снова вышел к Нарыну, затем на юге исследовал долины рек Ат-Баши (система Сырдарьи) и Аксай (бассейн Тарима) и проник в юго-западную часть хребта Какшаал-Тоо. Он был первым европейцем, прошедшим в эту часть Центрального Тянь-Шаня. Наконец-то сбылась мечта многих поколений ученых.
Здесь он обнаружил новые виды животных, в частности диких горных баранов – качкаров (архаров), а также дикого горного козла – теке, кашмирскую козу, дикобраза. Особенно гордился Северцов кумаем, которого он назвал снежным грифом. Ученому повезло: добытый им огромный экземпляр этой осторожной птицы высокогорья – «крылатого чудища Тянь-Шаня» – имел размах крыльев 2 метра 88 сантиметров, а длина его равнялась 1 метру 28 сантиметрам.
9 октября отряд достиг среднего течения реки Нарын. Однако усилившиеся холод и метель все же заставили путников 17 октября двинуться обратно. Так русский ученый, пройдя по тянь-шаньским сыртам, первым из европейцев достиг 41° с. ш. в южной части Тянь-Шаньского нагорья.
30 октября прибыли в Токмак.
Лежа в теплом халате (Северцов изредка позволял себе эту роскошь на привалах) и прихлебывая из пиалы чай, он делал заметки в своей записной книжке: «Метель была забыта на радостях, что наконец-то ночую за тем самым хребтом Болгар, или Суек, на который с Зауки и Барскауна только смотрели Семенов и Проценко и где не было европейской ноги».
«Собрано 4000 экземпляров животных». Если прибавить к этому ботанические коллекции из 3000 гербарных листов и 800 образцов минералов, то будет ясно, почему так благодарили Северцова хранители музеев Петербурга.
Последующие два месяца Северцов провел в Ташкенте. Здесь он подружился с художником В.В. Верещагиным.
К началу 1869 года Северцов вернулся в Петербург. Он прославился своими исследованиями в Туркестане, его имя теперь было известно не только в России, но и за границей. Московский университет присудил Северцову степень доктора зоологии без защиты диссертации.
Но напряженный труд в тянь-шаньской экспедиции и периодически повторяющаяся тропическая лихорадка подорвали здоровье Северцова. С 1869 по 1873 год он жил преимущественно в родном Петровском. В Москву и Петербург приходилось выезжать главным образом для уточнения некоторых данных в библиотеках и зоологических музеях.
В 1873 году вышли в свет еще две его книги: «Аркары (горные бараны) Средней Азии» и «Путешествия по Туркестанскому краю…».
В 1874 году Географическое общество в содружестве с Обществом естествоиспытателей снарядило большую экспедицию в низовья Амударьи под общим руководством Н.Г. Столетова. Руководство естественно-историческим отделом экспедиции было поручено Северцову, поскольку «опытность его и глубокое знание ближайших местностей Средней Азии могли бы принести существенную пользу в предстоящих физико-географических исследованиях».
12 июня из форта Перовский выступил длинный караван верблюдов, навьюченных экспедиционным снаряжением, провиантом и водой в мешках из бараньих шкур (турсуках). Вел его караван-баши. Северцов, ботаник Смирнов и препараторы ехали верхом на лошадях, следом тянулись джуламейки – походные войлочные кибитки. Весь отряд прикрывал казачий конвой.
Это были первые европейцы (после Хивинского похода), решившиеся пересечь Кызылкум летом. Путники изнемогали от зноя и отсутствия питьевой воды. Дорог не было. Шли по пескам, в которых даже привычный к пустыням «джелаучи» (дорожный человек) не раз терял направление и погибал. Истомленные путешественники лишь на шестой день подошли к берегу Аральского моря и здесь обнаружили первый за весь переход колодец Кунган-Сандал. Жадно припали они к долгожданной влаге.
Северцову нужно было проверить изменение береговой линии Арала по сравнению с его наблюдениями в 1858 году, поэтому в течение десяти дней отряд двигался вдоль побережья. Дальнейший путь лежал снова через пески западной части Кызылкума. Долгих 24 дня отряд преодолевал тяжкий путь между могучими среднеазиатскими реками. Наконец участники перехода ощутили гостеприимную свежесть дельты Амударьи.
5 июля они остановились в маленьком оазисе Клыч-Ка-ла, окруженном возделанными полями и дремучими тугаями. Северцов приступил к работе. С основной частью отряда он отправился в маленькое тогда урочище Нукус, где Столетовым уже была организована база всей экспедиции.
Северцов, распорядившись о работах и устройстве коллекций, совершил множество экскурсий в дельту Амударьи то по воде на каюке, исследуя течение и режим реки, осадки, флору и фауну, то верхом на лошади по берегам протоков и островов.
