Глубокое впечатление произвели на Северцова такие грандиозные сооружения природы, как снежные мосты. Мосты эти Северцов видел в Кара-Кыспакском ущелье. Лавины, срываясь с огромной высоты с совершенно отвесных скал, накопляются над рекой в одном и том же месте и образуют плотные арки с полукруглыми сводами. Сверху снег порастает микроскопическими красными водорослями, что и придает мостам розовую окраску. Северцов насчитал семь таких мостов.

Возвращался ученый из экспедиции с богатыми впечатлениями. Он увозил с собой готовый материал для отчета, первую геологическую карту Киргизского хребта, таблицу высот и ценные коллекции.

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. На этот серьезный шаг 38-летний ученый решился не сразу. "Каково ей, бедняжке, будет соперничать с моими птицами?" - писал он отцу. Но Софья была умна, образованна, хороша собой, а главное, с детства сама страстно мечтала о путешествиях.

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. Необходимо было достичь цели до снегопада и буранов.

Северцов, оставив задания участникам экспедиции, двинулся с препаратором Скорняковым вниз по долине Мерке, к реке Чарын, которая в верхнем течении называется Ахтогай. Здесь она с бешеной силой прорывается через мрачное дикое ущелье.

На обратном пути Северцов и Скорняков потеряли направление и друг друга. Лишь через двое суток, измученные, но переполненные впечатлениями, добрались они до отряда.

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".

В течение трех дней, проведенных отрядом на Аксайском плоскогорье, свирепствовала метель; условия работы были почти нестерпимы; только Северцов с его исключительной выносливостью и работоспособностью мог продолжать исследования и вдохновлял своим примером остальных.

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.

С трудом пробирался отряд по заснеженным сыртам. Люди скользили по обледенелым скалам, рискуя сорваться в пропасть. Опытные проводники лишь чутьем угадывали дорогу по ущельям и обрывам, где едва ступали верблюды. Особенно страдали путники от холода. Однако, несмотря ни на что, ученый продолжал наблюдения. 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. Чем дальше, тем труднее становился путь; проводники начали роптать, отказывались идти, но Северцов подбадривал всех и упорно шел вперед. 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.

20 октября достигли ущелья Чар-Карытма, из которого открывался величественный вид на северные берега Нарына.

При переходах через горные потоки лошади нередко падали и скользили по обледенелому дну и валунам, загромождавшим реку. 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.

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 в зоологических музеях.

В 1873 году вышли в свет еще две его книги "Аркары (горные бараны) Средней Азии" и "Путешествия по Туркестанскому краю".

Зиму 1872/73 года Северцов с семьей провел за границей, где должен был пройти курс лечения его шестилетний сын Алексей. После смерти младшего из двух детей внимание родителей к единственному их ребенку удвоилось.

В Швейцарии семья Северцовых пробыла недолго. Здесь ученый рассчитывал подняться на альпийские ледники. Однако программа изучения ледников была выполнена лишь частично. Восхождение на Монблан не удалось осуществить из-за свирепствовавших в горах буранов. Эта неудача глубоко огорчила Северцова, так как изучение альпийских ледников он рассматривал как подготовку к предстоящей экспедиции на Памир.

В 1874 году Географическое общество в содружестве с Обществом естествоиспытателей снарядило большую экспедицию в низовья Амударьи под общим руководством Н. Г. Столетова.

Руководство естественноисторическим 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".