У озера Убсу-Нур экспедиция разделилась: Потанин направился на юг через Котловину Больших озер в Кобдо, а Рафаилов, продолжая маршрут по 50-й параллели, пересек и впервые исследовал короткие горные хребты между западной частью Монгольского Алтая и Танну-Ола.
В Кобдо, одном из главных торговых центров Монголии, они провели короткую зиму, приводили в порядок коллекции, наблюдали быт этого города, служившего перевалочным пунктом на пути торговых караванов, везущих из Пекина знаменитые на весь мир китайские шелка, фарфоровую посуду, табак, чай. Из России сюда приходили караваны с сахаром, изделиями из чугуна и железа, имевшими в Китае большой спрос, – котлами, ведрами, ножами, ножницами и другими товарами.
Весной 1877 года экспедиция выступила на юг и через пустыню Гоби проследовала к городу Баркулю. Затем Потанин посетил город Хами, в котором была сосредоточена торговля с Китаем. Около монгольского города Улясутая Потанину удалось исследовать теплые серные ключи.
Путешественник побывал на Косоголе, самом большом озере Монголии, расположенном на высоте 1615 метров, достиг буддийского монастыря Улангком, около озера Убса, возвратился в Кобдо и оттуда проследовал в Кош-Агач на Русском Алтае.
Все члены экспедиции соединились в Бийске в начале 1878 года. Рафаилов составил довольно точную карту Западной Монголии.
В 1881 году Русское географическое общество издало труд Потанина – «Очерки Северо-Западной Монголии. Результаты путешествия, исполненного в 1876–1877 годах» с картой похода от Зайсана до озера Убса.
Потом были еще две экспедиции, в которых удалось завершить исследование избранной части Монголии, собрать более полные гербарии. И, кроме того, удалось проследить связь между пересохшими озерами, описать новые области.
В июне 1879 года, выступив из Кош-Агача на восток, к озеру Убсу-Нур, Потанин по дороге подробно изучил горы. Охватив исследованием всю Котловину Больших Озер, он также пришел к выводу, что Хиргис-Нур, Хара-Нур и Хара-Ус-Нур взаимно связаны речной системой. Все три озера, по Потанину, располагаются на широких плоских равнинах – «ступенях», понижающихся с юга на север и разделенных невысокими горами и холмами, но озеро Убсу-Нур не имеет связи с остальными. Потанин, таким образом, завершил исследование Котловины Больших Озер – огромной впадины на северо-западе Монголии. Из Кобдо в сентябре он вернулся к Убсу-Нуру. Участник экспедиции топограф Орлов провел первую полную съемку озера – оно оказалось самым большим водоемом Мон голии (3350 квадратных километров).
Поднимаясь от Убсу-Нура в горы, путешественники увидели на севере лесистый хребет Танну-Ола. В конце сентября, перевалив хребет, экспедиция спустилась в центральную часть Тувинской котловины – в долину реки Улуг-Хема (система верхнего Енисея) – и, продвигаясь на восток, проследила ее более чем на 100 километров и на столько же – долину реки Малого Енисея (Ка-Хем) до устья реки Улуг-Шивея. В результате пересечения Танну-Ола и 200 километрового маршрута по Тувинской котловине экспедиция точно нанесла на карту очертания главного хребта и его северных отрогов, а также уточнила картографическое изображение верховьев Енисея. Она поднялась по Улуг-Шивею до верховья, пересекла хребет Сангилен и, повернув на восток, к верховьям Дэлгэр Мурэна, вышла к западному берегу Хубсугула, вдоль которого простирается хребет Баян-Ула с высотами более 3 тысяч метров.
Путешествие закончилось в Иркутске. Дневники двух экспедиций Потанина составили четыре тома «Очерков Северо-Западной Монголии» (1881–1883), из них два тома этнографических материалов, собранных главным образом А.В. Потаниной.
В 1884 году Географическое общество отправило Потанина в его первую китайскую экспедицию, в которой участвовали также А.В. Потанина и А.И. Скасси. Потанину предписывалось продвигаться такими маршрутами, которые дополнили бы работу Пржевальского. Двигаясь в населенной части провинции Ганьсу, он должен был описывать природу нагорной Азии и ее переходы к теплым долинам китайских равнин.
Первого апреля 1884 года русская экспедиция высадилась на китайскую землю. Через два месяца, закончив полное снаряжение, наняв ходких лошадей и выносливых мулов, путешественники вышли из Пекина и двинулись по Императорской дороге через Великую Китайскую равнину. Через семь дней пути Потанин повернул караван на запад и вскоре достиг ответвления Великой Китайской стены, построенной еще в 211 году до нашей эры. Потом за спиной путников остались старинные монастыри с живописными кумирнями, большой древний город Куку-хото, Хуанхэ. Они вышли в долину Ордос, лежащую в ее гигантской излучине.
Весной 1885 года путешественники перебрались в Синин, двинулись на юг и через горную безлесную область верхнего течения реки Хуанхэ, юго-восточные отроги Куньлуня и восточные склоны Сино-Тибетских гор достигли верховьев реки Миньцзяна (северный большой приток Янцзы). Проследовав оттуда на восток около 150 километров, они повернули на север и через горные цепи системы Циньлин вернулись в Ланьчжоу, где снова зимовали. В результате этого двойного пересечения «Тангутско-Тибетской окраины» Китая Потанин подразделил ее на две части: северная представляет собой нагорье высотой более 3 тысяч метров с редкими хребтами и неглубоко врезанными речными долинами; южная характеризуется сложным горным рельефом с глубокими речными долинами.
В апреле 1886 года экспедиция прошла на запад к озеру Кукунор, повернула оттуда на север и, перевалив несколько безымянных хребтов, добралась к истокам реки Жошуй, точно ею установленным. При этом Потанин и Скасси обнаружили первую цепь системы Наньшаня, строение которой оказалось более сложным, чем показывал Пржевальский. Проследив все течение Жошуя до низовьев (около 900 километров), они вышли к бессточному озеру Гашун-Нур и точно нанесли его на карту. Двигаясь далее на север через Гоби, экспедиция при пересечении Гобийского Алтая выявила четыре его южных невысоких отрога широтного направления (в том числе Тост-Ула), исправив карту Певцова. Потанин так охарактеризовал пересеченную им полосу Гоби: южная часть представляет собой плоскую возвышенность с низкими хребтами; центральная – пустынную впадину не более 900 метров; северная – невысокую горную страну, продолжение Монгольского Алтая. От озера Орог-Нур экспедиция прошла на север по долине реки Туйн-Гол до ее верховьев, перевалила хребет Хангай и, повернув на северо-восток, через бассейн реки Орхон вышла к Кяхте в начале ноября 1886 года. При этом был нанесен на карту водораздел Селенги и Орхона – хребет Бурэннуру – и ряд небольших отрогов Хангая.
