В ноябре 1883 года началось очередное, уже четвертое путешествие Пржевальского. От Кяхты уже знакомым путем экспедиция проследовала в Дзун, который достигла к маю 1884 года. На юго-востоке от Цайдама, за хребтом Бурхан-Будда, Пржевальский обнаружил бесплодное солончаковое
Вернувшись к Цайдаму, Пржевальский проследовал по его южной окраине, открыл на юго-западе узкий, но мощный хребет Чиментаг и, таким образом, почти полностью определил контуры огромной Цайдамской равнины. Перевалив Чиментаг и северо-западный отрог новооткрытого Каякдыгтага, отряд вышел на большую широкую равнину Культала, уходившую
Повернув обратно и достигнув примерно 38-й параллели, Пржевальский прошел на запад обширной межгорной Долиной Ветров, названной им так из-за постоянных ветров и бурь (долина реки Юсупалык). К северу от нее простирался Актаг, а к югу - Каякдыгтаг и ранее неизвестный хребет Аччиккёльтаг (Московский). На южном склоне Каякдыгтага, на высоте 3867 метра, Пржевальский открыл соленое озеро, даже в конце декабря не покрытое льдом, и назвал его Незамерзающим (Аяккумкёль). Дальнейшее движение к югу было невозможно из-за приближающейся зимы и сильного утомления вьючных животных; отряд направился на север, спустился в котловину озера Лобнор и на его берегу встретил весну 1885 года.
В начале апреля Пржевальский поднялся по долине реки Черчена до оазиса Черчен, а оттуда двинулся к югу, обнаружил Русский хребет и проследил его к западу по всей длине до оазиса Керии (около 400 километров), открыл короткий, но мощный хребет Музтаг, примыкающий к Русскому. Затем отряд вышел к оазису Хотан, пересек в северном направлении Такла-Макан, Центральный Тянь-Шань и вернулся к Иссык-Кулю в ноябре 1885 года.
За два года был пройден огромный путь - 7815 километров, почти совсем без дорог. На северной границе Тибета открыта целая горная страна с величественными хребтами - о них в Европе ничего не было известно. Исследованы истоки Хуанхэ, открыты и описаны большие озера - Русское и Экспедиции. В коллекции появились новые виды птиц, млекопитающих и пресмыкающихся, а также рыб, в гербарии - новые виды растений.
Уже на российской границе великий путешественник построил свой небольшой отряд и зачитал последний приказ.