В марте 1860 года Северцов выехал в Уральск в качестве члена комитета. В обязанности ему вменялось
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.
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.
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.
