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
12 июня из форта Перовский выступил длинный караван верблюдов, навьюченных экспедиционным снаряжением, провиантом и водой в мешках из бараньих шкур (турсуках). Вел его караван-баши. Северцов, ботаник Смирнов и препараторы ехали верхом на лошадях, следом тянулись джуламейки - походные войлочные кибитки. Весь отряд прикрывал казачий конвой.
Это были первые европейцы (после Хивинского похода), решившиеся пересечь Кызылкум летом. Путники изнемогали от зноя и отсутствия питьевой воды. Дорог не было. Шли по пескам, в которых даже привычный к пустыням "джела-учи" (дорожный человек) не раз терял направление и погибал.
Истомленные путешественники лишь на шестой день подошли к берегу Аральского моря и здесь обнаружили первый за весь переход колодец Кунган-Сандал. Жадно припали они к долгожданной влаге. Редкостью были колодцы в пустыне, устройство их считалось делом богоугодным. Кочевники говорили, что капля воды, поданная жаждущему в пустыне, смывает грехи за сто лет.
Северцову нужно было проверить изменение береговой линии Арала по сравнению с его наблюдениями в 1858 году, поэтому в течение десяти дней отряд двигался вдоль побережья.
Дальнейший путь лежал снова через пески западной части Кызылкума. В то время здесь не было даже караванного пути. Зной и жажда вконец измучили людей, падали даже верблюды. Встречались на пути и леса, но и они не приносили ни тени, ни отрады. Редкие приземистые деревья, высотой не более пяти метров, были голы и серы.
Долгих 24 дня отряд преодолевал тяжкий путь между могучими среднеазиатскими реками. Наконец участники перехода ощутили гостеприимную свежесть дельты Амударьи.
5 июля они остановились в маленьком оазисе Клыч-Кала, окруженном возделанными полями и дремучими тугаями. Но недолгим был отдых на этой благодатной земле среди зелени и птичьего гомона. Через несколько дней Северцов приступил к работе. С основной частью отряда он отправился в маленькое тогда урочище Нукус, где Столетовым уже была организована база всей экспедиции.
Северцов, распорядившись о работах и устройстве коллекций, совершил множество экскурсий в дельту Амударьи, то по воде на каюке, исследуя течение и режим реки, осадки, флору и фауну, то верхом на лошади по берегам протоков и островов.
Возвращаться к Сырдарье ученый опять решил через Кызылкум, но теперь, вооруженный опытом, он для облегчения перехода несколько изменил маршрут. Наблюдения дали много нового интересного материала, о чем Северцов сообщает в своих отчетах Географическому обществу. В форт Перовский прибыли 26 октября. Северцову удалось раскрыть тайны еще одного заветного уголка возлюбленного Туркестана.
Вся намеченная программа была осуществлена. С особой тщательностью занимался Северцов наблюдениями над Кызылкумом и Аральским морем.
Кончилась Амударьинская экспедиция, начались новые заботы. Все лето 1875 года Северцов почти безвыездно жил в Петербурге, постоянно бывал в Географическом обществе, участвовал в подготовке к конгрессу. Частенько навещал семью Семеновых-Тян-Шанских.
Доклад Северцова на Парижском конгрессе "О следах ледяного периода на Тянь-Шане", прочитанный на французском языке, был признан одним из лучших. Его "Карта высот Внутренней Азии", экспонированная в русском павильоне на Выставке, привлекла всеобщее внимание. Северцов был удостоен высшей награды конгресса, медали первого класса "За путешествия в Туркестане и исследования Тянь-Шаня".
11 августа 1875 года закончилась работа конгресса. С этого времени имя Северцова как путешественника, зоолога, геолога и географа получило мировую известность.
Поработав в парижских музеях, где он уточнял свои определения некоторых видов животных, Северцов выехал в Лондон. Там он продолжал сравнивать фауну Средней Азии с фауной Индии, Афганистана и Ирана.
Летом 1877 года была снаряжена комплексная Фергано-Памирская экспедиция, и Северцову представился давно желанный случай посетить эту неизвестную горную страну.
Базой экспедиции был город Ош, один из наиболее древних городов Ферганы, живописно расположенный у северного подножия Алайского хребта.
