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 -
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:
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.
