Северцову удалось добиться прикомандирования к экспедиции ботаника И. Борщова и препаратора И. Гурьянова. Оба были молоды и полны энтузиазма.

18 мая 1857 года отряд покинул Петербург. Ровно месяц ехали по трудным дорогам с краткими остановками на неустроенных станциях. Местом отдыха и окончательной подготовки экспедиции стал Оренбург - русская крепость на рубеже Европы и Азии.

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.

Весной 1858 года коллекции были существенно пополнены, особенно за счет птиц. Будучи метким стрелком, Северцов умел, как говорили коллеги, "достать труднейшую птицу", но никогда не позволял своим сотрудникам бить птиц зря.

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 15. 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.

Впоследствии сам Северцов вспоминал: "...кокандец ударил меня шашкой по носу и рассек только кожу: второй удар, по виску, расколовший скуловую кость, сбил меня с ног, и он стал отсекать мне голову, нанес еще несколько ударов, глубоко разрубил шею, расколол череп... я чувствовал каждый удар, но странно, без особой боли". Тут подъехали остальные кокандцы и предотвратили убийство, рассчитывая сохранить пленника живым для получения выкупа.

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.

Из опасения, что пленник не вынесет тяжелого переезда, его начали усиленно лечить. К ранам прикладывали парную баранину и присыпали порошком, в состав которого входила толченая скорлупа черепашьих яиц. Лечение оказалось эффективным, к тому же крепкий организм и радостное ожидание освобождения способствовали восстановлению сил.

Через месяц, 27 мая 1858 года, Северцов вернулся в форт Перовский.

Здоровье Северцова постепенно улучшалось Он начал разбирать коллекции, понемногу экскурсировал. Так, он поднялся на баркасе вверх по Сырдарье и Куандарье, а затем исследовал соленые озера Культуз и Арыстуз в Голодной степи.

1 сентября 1858 года Северцов завершил работы в Средней Азии и вместе с отрядом выехал в Оренбург. Здесь он 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".

С долины реки Исык-Ата Северцов поднялся по северному склону Киргизского хребта до зоны ельника, но добраться до снежных вершин времени уже не было.

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.