Стояли жестокие морозы, а топлива не было, и ночи они проводили в юрте без огня. Постель состояла из одного войлока, постланного на мерзлую землю Из-за холода и большой высоты, из-за сухости и разреженности воздуха заснуть не удавалось - только забыться. Но и в забытьи мучило удушье, порождавшее тяжкие кошмары. "Жизнь наша была, в полном смысле, борьба за существование, и только сознание научной важности предпринятого дела давало нам энергию и силы для успешного выполнения своей задачи".
В конце зимы 1873 года Пржевальский вернулся в Дзун. Встретив весну на озере Кукунор, он прежним путем без проводника прошел к южной окраине пустыни Алашань. "Безграничным морем лежали... перед нами сыпучие пески, и не без робости ступали мы в их могильное царство". Вдоль хребта Хэланыпань (уже с проводником) они в страшную жару двинулись на север и пересекли восточную часть пустыни, причем едва не погибли от жажды: проводник сбился с дороги. Миновав западные предгорья хребта Ланьшань, Пржевальский прошел через наиболее безводную, "дикую и пустынную" часть Гоби и открыл гряду Хурх-Ула (крайний юго-восточный отрог Гобийского Алтая). Термометр на солнце показывал 63°С. На пути ни одного озерка; в колодцах, расположенных один от другого на расстоянии 50-60 километров, не всегда была вода. Он вернулся в Кяхту в сентябре 1873 года, так и не достигнув столицы Тибета - Лхасы.
По пустыням и горам Монголии и Китая Пржевальский прошел более 11 800 километров и при этом нанес на карту (в масштабе 10 верст в 1 дюйме) около 5700 километров. Научные результаты этой экспедиции поразили современников. Пржевальский дал подробные описания пустынь Гоби, Ордоса и Алашани, высокогорных районов Северного Тибета и котловины Цайдама (открытой им), впервые нанес на карту Центральной Азии более 20 хребтов, семь крупных и ряд мелких озер. Карта Пржевальского не отличалась точностью, так как из-за очень тяжелых путевых условий он не мог делать астрономические определения долгот. Этот существенный недочет позднее был исправлен им самим и другими русскими путешественниками. Он собрал коллекции растений, насекомых, пресмыкающихся, рыб, млекопитающих. При этом были открыты новые виды, получившие его имя, - ящурка Пржевальского, расщепохвост Пржевальского, рододендрон Пржевальского... Михаил Александрович Пыльцов, самоотверженный его товарищ, был удостоен такой же чести.
Двухтомный труд "Монголия и страна тангутов" (1875-1876), в котором Пржевальский дал описание своего путешествия, доставил автору мировую известность и был полностью или частично переведен на ряд европейских языков.
В Петербурге Пржевальского встретили как героя - речи, банкеты, торжественные собрания. Русское географическое общество присуждает ему свою высокую награду - Большую золотую медаль. Он получает Золотую медаль Парижского географического общества и "высочайшие" награды - чин подполковника, Пожизненную пенсию в 600 рублей ежегодно. Его называют "замечательнейшим путешественником нашего времени", ставят рядом с Семеновым-Тян-Шанским, с Крузенштерном и Беллинсгаузеном, с Ливингстоном и Стэнли...
В январе 1876 года Пржевальский представил в Русское географическое общество план новой экспедиции. Он намеревался заняться исследованием Восточного Тянь-Шаня, дойти до Лхасы, увидеть которую мечтало столько поколений европейских географов, и главное - обследовать загадочное озеро Лобнор. Кроме того, в тех краях, как писал Марко Поло, обитает дикий верблюд. Пржевальский надеялся найти и описать это животное.
Почти два месяца занял путь от Москвы через Урал в Семипалатинск, где Пржевальского ждали верные спутники - Чебаев и Иринчинов.
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. На его карте река Кончедарья получила правильное изображение; появился "новый", северный рукав Тарима - река Инчикедарья. (Кончедарья, вытекающая из озера Баграшкёль, была тогда нижним левым притоком Тарима; теперь в половодье она впадает в северную часть озера Лобнор.) 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 двадцать 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 путешественник прибыл в Чарклык, то хребет Алтынтаг, не известный ранее европейским географам, явился перед ним "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. "Самому мне удалось исследовать только южный и западный берег Лобнора и пробраться в лодке по Тариму до половины длины всего озера; далее ехать было нельзя по мелководным и густым тростникам. Эти последние покрывают сплошь весь Лобнор, оставляя лишь на южном его берегу узкую (1-3 версты) полосу чистой воды. Кроме того, небольшие, чистые площадки расположены, как звезды, везде в тростниках... Вода везде светлая и пресная..."
На берегах таинственного Лобнора, в "стране Лоп", Пржевальский был вторым... после Марко Поло! Николай Михайлович с законной гордостью писал: "Опять то, о чем недавно мечталось, превратилось в факт действительности... Еще не прошло года с тех пор, как профессор Кесслер... предсказывал о Лобноре как о совершенно загадочном озере - теперь же эта местность достаточно известна. То, чего не могли сделать в течение семи веков, сделано в семь месяцев". Загадочное озеро стало, однако, предметом оживленной дискуссии между Пржевальским и немецким географом Рихтгофеном.