Для Федченко был характерен комплексный подход к исследованию природы. Открыв истоки Зеравшана, всесторонне исследовав долину этой реки, обратив особое внимание на её хозяйственное освоение, он одновременно изучал богатый животный и растительный мир долины.

На основе своих исследований Федченко сделал очень важный вывод о климатическом сходстве Туркестана со странами Средиземноморья и единстве их флоры и фауны. Другое крупное, мирового значения открытие относится к медицинской географии: он впервые описал биологию и географию ришты, одного из наиболее опасных паразитов у животных и человека, и предложил эффективный способ его уничтожения.

Объем работы учёного характеризуют такие цифры: в его исследовательской коллекции было около восьми тысяч экземпляров птиц, млекопитающих, рептилий, насекомых, при этом одних только пчёл, ранее не известных в Средней Азии, около трёхсот видов. Столь же огромен был гербарий. Собранный в основном Ольгой Федченко, он позволил сделать вывод об общем происхождении флоры Средней Азии и Средиземноморья.

С первыми результатами исследований Федченко приехал в Москву на годичное собрание Общества любителей естествознания, где выступил с обстоятельным докладом о работах в Зеравшанской долине. Доклад вызвал огромный интерес научной общественности. Автору присудили премию имени Г.Е. Щуровского; Ольга Федченко была награждена Золотой медалью.

Весной 1870 года супруги Федченко были снова в Туркестане, на этот раз в верховьях Зеравшана, в окрестностях озера Искандер-Куль. К концу лета вся долина Зеравшана, от города Педжикента до уходящего к вершинам ледника, была нанесена на карту, которая стала основой дальнейшего картирования горной системы. Появились первые сведения о геологическом строении, рельефе и речной сети. Именно Федченко дал горным хребтам на водоразделе двух великих рек Сырдарьи и Амударьи названия, сохранившиеся по сей день: Туркестанский, Зеравшанский и Гиссарский. В этих хребтах им были пройдены все вертикальные растительные пояса и установлены закономерности их смены — впервые для Западного Тянь-Шаня.

Весной 1871 года состоялось путешествие в пустыню Кызылкум. За месяц пройдено было в песках более 700 вёрст, собраны коллекции животных, ископаемых, гербарий пустынной флоры, получены сведения о дорогах и колодцах, развалинах древних городов и следах оросительных систем в бассейне Сырдарьи. Всё преодолённое пространство картировалось в масштабе 5 вёрст в дюйме.

Этот поход явился своеобразной «разминкой» перед большой экспедицией в Кокандское ханство, ещё сохранявшее независимость. Совсем недавно там жестоко карался любой европеец, посмевший нарушить границы. Но времена наступили иные, и послание кокандскому хану Худояру от генерала Кауфмана, которое находилось у Федченко, имело большой вес. Худояр снабдил учёного «высочайшим приказом», в котором говорилось: «...шесть человек русских, с одной женщиной и семью служителями идут видеть гористые страны, посему повелеваю, чтобы в каждом округе и в каждом месте их принимали как гостей, чтобы никто из кочевников... их не трогал и чтобы упомянутые русские совершили своё путешествие весело и спокойно...»

Долина реки Исфара в Алайском хребте привела путешественников к леднику, которому Федченко дал имя своего учителя Щуровского. Он поднимался по леднику, проводил на нём много часов. Ольга Федченко зарисовывала ледник. Через столетие этот рисунок наглядно показал гляциологам, как изменились размеры ледника, насколько отступил он из долины. Федченко справедливо предположил, что этот довольно большой ледяной поток на перевале соединяется с другим, Зеравшанским ледником. Через 10 лет И.В. Мушкетов, поднявшийся по Зеравшанскому леднику, это подтвердил.

Федченко первым из европейцев посетил цветущую долину реки Сох. Глубоким каньоном она выводит к ледникам, сливающимся в верховьях (по рассказам местного населения) в один гигантский, недоступный для человека ледник Тарак. Но проверка слухов была отложена на будущее, а отряд поспешил дальше на юг: ведь в этих горах, южнее Ферганской долины, ещё не бывали исследователи. Методом полуинструментальной съёмки наносились на карту горные пики, хребты, перевалы Алайской горной страны.

Из-за конфликтов узбеков с киргизами путь в ущелье был перекрыт — отряд русских в него не пустили. В конце июля они пришли в город Ош, на границу Алая, в верховья Амударьи. Река текла по широкой Алайской долине, ограждённой с юга высокой стеной гор. Федченко вспоминал: «Эти горы, которые, за отсутствием местного названия, я буду пока называть Заалайскими, имели такой вид, какой горы близ Ташкента имеют в марте или даже в феврале месяце, так велик в них снеговой пояс...» Он определил среднюю высоту гор и наивысшую из них назвал пиком Кауфмана (позже она стала пиком Ленина). Этот удивительно красивый хребет обозначает границу Памира. Подчинившись требованию сопровождавшего экспедицию киргизского начальника, Федченко был вынужден повернуть назад, находясь у самых ворот Памира. Но он надеялся вернуться и продолжить исследования...

«Я тогда ещё не предполагал, что эти горы сделаются для меня действительно стеной, за которой я ничего не увижу, — сетовал Федченко, — я спешил вниз, чтобы проникнуть в эти горы, и мечтал, что дойду до тех мест, где фантазия туземцев помещает «крышу мира». Так писал учёный, твёрдо уверенный в том, что на будущий год он обязательно вернётся на Памир. Ему было ясно, что нужно тщательно подготовиться к этой экспедиции: работать предстоит среди гигантских ледников.

Но на Памир Федченко попасть не удалось. Когда спустя семь лет его друг студенческих лет энтомолог В.Ф. Ошанин открыл в Центральном Памире необычайно длинный ледяной поток — более семидесяти километров, он назвал его ледником Федченко...

В альпийском горном селении Шамони, где в наши дни часто собираются на симпозиумы и семинары гляциологи из разных стран мира, на местном кладбище над одной из могил высится глыба необработанного гранита. На неё поставлен куб из чёрного мрамора с портретом Алексея Федченко, русского учёного, погибшего 2 сентября 1873 года на склоне Монблана.

В июле 1873 года Федченко отправился в Швейцарию, в Альпы. Вместе со швейцарскими коллегами он исследовал Гринденвальдский ледник, пройдя по нему в долину Роны. А в последние дни августа занимался геологией в предгорьях, поднимаясь всё выше к ледникам Монблана, объединённым под названием «Ледяное море». Он пешком прошёл в Шамони и оттуда направился на ледник в сопровождении двух случайно взятых проводников, по существу, не знавших гор.

...Изменение погоды — снегопад, сильнейший ветер, холод — заставили путников остановиться. Федченко внезапно почувствовал себя плохо — он не мог идти вниз. Проводники пытались его нести, но вскоре выбились из сил и, просидев около Федченко пять часов, ушли, оставив его на снегу в двух часах хода от альпийской гостиницы. Потом они утверждали, что Федченко сам отослал их вниз, сказав: «Я чувствую, что погиб, спасайтесь сами». Только через два дня группа местных жителей доставила тело погибшего в Шамони.

Выступая с отчётом о деятельности Русского географического общества за 1873 год, географ М.И. Венюков произнёс слова памяти А.П. Федченко: «Он скончался как истинный подвижник науки при восхождении на Монблан, где хотел больше изучить альпийские ледники для сравнения их со среднеазиатскими...» Другой выдающийся исследователь природы России геолог И.В. Мушкетов дал А.П. Федченко такую оценку: «Деятельность этого талантливого исследователя поистине изумительна, в особенности если учесть, что экспедиция А.П. Федченко состояла всего из него самого и его благородного товарища Ольги Александровны Федченко, которая с редким для женщины самоотвержением разделяла все труды и лишения своего мужа...»