Южнее Певцов открыл и описал длинную (около 500 километров) и узкую бессточную впадину между Хангаем и Алтаем, назвав ее Долиной Озер. Как он правильно решил, эта впадина является западным рукавом Гоби. Своими гидрографическими исследованиями и открытием Долины Озер он доказал, что хребет Хангай нигде не соединяется с Монгольским Алтаем, впервые верно показанным на его карте в виде длинного (около 1000 километров) хребта, вытянутого в юго-восточном направлении.
Дальнейший путь каравана пролегал по окраине Долины Озер вдоль восточной части Гобийского Алтая. Певцов обнаружил здесь два коротких, почти параллельных горных массива, поднимающихся выше 3,5 тысячи метров: Их-Богдо-Ула и Бага-Богдо-Ула. К юго-востоку от Долины Озер он открыл невысокий (до 3 тысяч метров) окраинный хребет Гобийского Алтая (Гурван-Сайхан) и показал, что юго-восточные отроги Алтая окончательно исчезают в обширной равнине Галбын-Гоби. Так Певцов установил направление и протяженность (более 500 километров) Гобийского Алтая и этим в основном завершил открытие всей системы Монгольского Алтая.
От Гурван-Сайхана караван продолжал идти на юго-восток и пересек Монгольскую Гоби. Певцов обнаружил, что ее северная часть представляет собой всхолмленную страну с невысокими грядами, а южная расположена выше и принадлежит другой горной стране с приблизительно широтным простиранием – хребту Иньшань. Тем самым он доказал обособленность Гобийского Алтая и от Иньшаня.
После странствий по горам, степям и пустыням караван достиг Куку-хото (Гуй-хуа-чен), отстоявшего от станицы Алтайской на 2670 километров. Собрав в городе Куку-хото нужные сведения, экспедиция отправилась в город Калган и пробыла в нем с 25 декабря 1878 года до 27 февраля 1879 года, а затем направилась по прямой караванной дороге через Ургу и Улясутай к русской границе, перейдя которую закончила свое более чем годичное путешествие в поселке Кош-Агач.
Общий результат второй экспедиции – установление главнейших черт орографии и гидрографии северо-западной части Центральной Азии. В «Очерке путешествия по Монголии и северным провинциям Внутреннего Китая» (1883) Певцов дал первую сравнительную характеристику ландшафтов Монгольского и Русского Алтая. На основании маршрутной съемки он составил принципиально новые карты Центральной Азии.
Талантливый исследователь был награжден в 1885 году второй из высших наград Русского географического общества – медалью Литке. Именем Певцова был назван ледник хребта Монгольский Алтай в истоках реки Канас в Синьцзяне. Правительство наградило его орденом святого Владимира 4-й степени, а спутники Певцова, военные топографы, получили следующие чины.
По возвращении из этого путешествия Певцов более семи лет прожил в Омске. Певцов ежедневно проводил астрономические наблюдения в маленькой обсерватории у своего дома в Кадышевском форштадте. Эти наблюдения позволили ему окончательно разработать получивший мировую известность способ Певцова для определения географической широты по соответственным высотам двух звезд.
В 1882–1883 годах Певцов в качестве полномочного комиссара руководил установлением русско-китайской границы на Семипалатинском участке. Под его руководством было покрыто глазомерной съемкой все вновь присоединенное от Китая пространство по рекам Каб и Алкабек площадью около 57 тысяч квадратных километров. При этом лично Певцов определил географическое положение восьми пунктов.
В начале 1887 года Певцов получил назначение на новую должность – делопроизводителя Азиатской части Главного штаба в Петербурге.
В середине августа 1888 года Николай Михайлович Пржевальский выехал из Петербурга в город Каракол (ныне Пржевальск), откуда должна была начаться экспедиция. Незадолго до выхода экспедиции из Каракола Пржевальский, выпив на охоте сырой воды, заразился брюшным тифом и 20 октября 1888 года умер. Необходим был новый руководитель Тибетской экспедиции. В январе 1889 года Военное министерство по представлению председателя Русского географического общества Семенова-Тян-Шанского назначило начальником экспедиции полковника Певцова.
В апреле 1889 года Михаил Васильевич прибыл в Каракол к осиротевшей экспедиции и принял над нею начальство. В составе экспедиции были поручик Всеволод Роборовский, подпоручик Петр Козлов, горный инженер-геолог Константин Богданович, а также переводчик, препаратор, 12 казаков, два проводника и несколько киргизов-погонщиков.
Пребывание экспедиции за границей было рассчитано на два года.
Главной задачей экспедиции было исследование горных стран, окаймляющих с севера Тибетское нагорье. Необходимо было изучить также существующие проходы внутрь Тибета, чтобы подготовить почву для будущих исследований на самом Тибетском нагорье.
Третье – Тибетское – путешествие Певцова по Центральной Азии началось 13 мая 1889 года. Экспедиция успешно выполнила свою задачу и вернулась в Россию раньше намеченного срока – в январе 1891 года. Эта экспедиция была крупнейшей в жизни Певцова.
Певцов сообщает много интересных сведений об Яркендском оазисе. 22 октября экспедиция достигла маленького городка Ния, важного по своему положению в узле нескольких караванных троп в центральном Тибете. В этом городке экспедиция провела пять зимних месяцев, в течение которых Певцов производил магнитные, астрономические и метеорологические наблюдения. Впоследствии он напишет работу «Климат Кашгарии (Восточного Туркестана)» – единственный в свое время труд по климатологии Центральной Азии, не потерявший значения и до наших дней.
В Нии Певцов написал обстоятельный этнографический очерк о Кашгарии. У Певцова были самые дружелюбные отношения с туземцами. В селении Мандалык старшина таглыков, прощаясь с Певцовым, заявил: «В течение всей моей жизни никто не помог мне столько, как вы, таксыр (господин)! Да вознаградит вас аллах и приведет невредимым в родную страну».
Из Каракасая экспедиция направилась в совершенно неизученный район озера Даши-куль. На берегу этого горько-соленого озера, расположенного на щебнистой равнине, был разбит лагерь. В начале сентября экспедиция тронулась по направлению к озеру Лобнор. Береговая линия этого озера достигает 250 километров. Здесь была определена абсолютная высота поверхности озера, которая оказалась равной 807 метров.
Чтобы вернуться из Тибета в Зайсан, экспедиции предстояло пройти около 2 тысяч километров. Такой длинный путь позволил произвести ценные наблюдения и собрать много интересных сведений, значительно обогативших нашу отечественную науку. Путь в 650 километров из Урумчи до Зайсана описан Певцовым впервые; он же первый определил здесь ряд астрономических пунктов. 3 января 1891 года двухгодичное путешествие Певцова завершилось в Зайсане.
