Прибыв в Кульджу в июле 1876 года, Пржевальский вместе с помощником Федором Леонтьевичем Эклоном в середине августа двинулся вверх по «гладкой, как пол», долине Или и ее притока Кунгеса и перевалили главную водораздельную цепь Восточного Тянь-Шаня. Пржевальский доказал, что эта горная система в средней части разветвляется: между ответвлениями он обнаружил два изолированных высоких плато – Их-Юлдуза и Бага-Юлдуза в верховьях реки Хайдык-Гола, впадающего в озеро Баграшкёль. К югу от озера он пересек западную оконечность «безводного и бесплодного» хребта Куруктаг и правильно определил его как «последний отрог Тянь-Шаня в Лобнорскую пустыню». Далее к югу расстилались «необозримой гладью пустыни Тарима и Лобнора. Лобнорская – самая дикая и бесплодная из всех… хуже даже Алашаньской». Достигнув низовьев Тарима, Пржевальский впервые описал их. Маршрут через пески Такла-Макан до оазиса Чарклык в низовьях реки Черчен (бассейн Лобнора), также впервые описанный Пржевальским, позволил ему установить восточную границу пустыни Такла-Макан.
Пройдя южные отроги Тянь-Шаня, путешественники вошли в город Курлю, где их ждал эмир, обещавший содействие экспедиции. Эмир приставил к русским своего верного человека – Заман-бека, некогда состоявшего на русской службе, и предписал ему неотлучно находиться при экспедиции.
Заман-бек повел их на Лобнор самой трудной дорогой. С наступлением зимы ударили морозы под 20 градусов, реки еще не стали, и переправляться через реку Тарим пришлось по воде. И когда заветная цель казалась совсем близкой, перед путешественниками – там, где на картах обозначалась равнина, вдруг выросли горы. Еще на переправе через Тарим Пржевальский увидел далеко на юге «узкую неясную полосу, чуть заметную на горизонте». С каждым переходом все отчетливее выступали очертания горного кряжа, и вскоре можно было различить не только отдельные вершины, но и большие ущелья. Когда же путешественники прибыли в Чарклык, то хребет Алтынтаг, не известный ранее европейским географам, явился перед ними «громадной стеной, которая далее к юго-западу высилась еще более и переходила за пределы вечного снега…». Глубокой зимой 1876/77 года (26 декабря – 5 февраля) Пржевальский исследовал северный склон Алтынтага более чем на 300 километров к востоку от Чарклыка. Он установил, что «на всем этом пространстве Алтынтаг служит окраиной высокого плато к стороне более низкой Лобнорской пустыни». Из-за морозов и недостатка времени он не мог перевалить хребет, но правильно предположил: плато к югу от Алтынтага составляет, вероятно, самую северную часть Тибетского нагорья. Пржевальский «передвинул» эту границу более чем на 300 километров к северу. К югу от озера Лобнор, по словам местных жителей, юго-западное продолжение Алтынтага тянется без всякого перерыва к Хотану, а к востоку хребет уходит очень далеко, но где именно кончается – лобнорцы не знали.
В феврале 1877 года Пржевальский достиг огромного тростникового болота – озера Лобнор. По его описанию, озеро имело в длину 100 километров и в ширину от 20 до 22 километров. На берегах таинственного Лобнора, в «стране Лоп», Пржевальский был вторым… после Марко Поло! Загадочное озеро стало, однако, предметом оживленной дискуссии между Пржевальским и немецким географом Рихтгофеном.
Судя по китайским картам начала XVIII века, Лобнор находился совсем не там, где его обнаружил Пржевальский. Кроме того, вопреки историческим известиям и теоретическим рассуждениям географов озеро оказалось пресным, а не соленым.
Лоб по-тибетски означает «илистый», нор – по-монгольски «озеро». Оказалось, что это болото-озеро время от времени меняет свое местоположение. На китайских картах оно было изображено в северной части пустынной бессточной впадины Лоб. Но затем реки Тарим и Кончедарья устремились на юг. Древний Лобнор постепенно исчез, на его месте остались только солончаки, блюдца небольших озерков. А на юге впадины образовалось новое озеро, которое открыл и описал Пржевальский.
На Лобноре он охотился, изучал птиц, – миллионы пернатых избирали озеро своим пристанищем на пути в Сибирь из Индии. Наблюдая их, ученый пришел к выводу, что перелетные птицы летят не по кратчайшему пути, как считалось до той поры, а по такому маршруту, чтобы захватить места для отдыха, с обильной пищей. Экземплярами редких птиц пополнилась на Лобноре коллекция Николая Михайловича.
К востоку от Лобнора Пржевальский открыл широкую полосу песков Кумтаг.
В начале июля экспедиция вернулась в Кульджу. Пржевальский был доволен: он изучил Лобнор, открыл Алтынтаг, описал дикого верблюда, добыл даже его шкуры, собрал коллекции флоры и фауны.
Во время путешествия 1876–1877 годов Пржевальский прошел по Центральной Азии немногим более 4 тысяч километров – ему помешали война в Западном Китае, обострение отношений между Китаем и Россией и, наконец, его болезнь. И все-таки это путешествие ознаменовалось двумя крупнейшими географическими открытиями – низовьев Тарима с группой озер и хребта Алтынтаг.
В Петербурге лучшие доктора настоятельно рекомендовали Николаю Михайловичу оставить, хотя бы на время, дела и удалиться в какое-нибудь спокойное место, чтобы поправить здоровье. Пржевальский отправляется в Отрадное.
Тем временем ученый мир отметил его последнее путешествие. Николай Михайлович стал почетным членом Академии наук. Берлинское географическое общество учреждает в честь Александра Гумбольдта Большую золотую медаль, и первый, кому ее присуждают, – Пржевальский. Лондонское географическое общество вручает ему Королевскую медаль. Слава растет и распространяется далеко за пределы России…
Отдохнув, Пржевальский снаряжает новую экспедицию. В марте 1879 года Николай Михайлович начал путешествие, названное им «Первым Тибетским». От Зайсана он направился на юго-восток, мимо озера Улюнгур и вдоль реки Урунгу до ее верховьев, пересек Джунгарскую Гоби – «обширную волнистую равнину» – и довольно верно определил ее размеры.
Джунгарская пустыня встретила их бурями. Слабые проблески солнца едва пробивались через несущуюся взвесь песка и пыли, и так всякий день с девяти-десяти утра и до заката солнца. Причем ветер возникал всегда в одной стороне. Пржевальский первым из исследователей Центральной Азии дал этому объяснение.
Но вовсе не этой загадкой привлекала его пустыня бурь. Именно здесь и только здесь можно встретить дикую лошадь. Местные жители называют ее по-разному: киргизы – «кэртаг», монголы – «тахи», но ни один ученый ее не видал. Пржевальский наблюдал, изучал повадки лошади, а когда от охотника-киргиза получил в подарок шкуру дикой лошади, смог описать животное. До Пржевальского о существовании дикой лошади, получившей название лошади Пржевальского, наука вообще не знала.