Путешественник поднялся по долине Таласа к верховьям, перевалил Таласский Алатау, по долинам рек системы Нарына вышел к озеру Сонкель и исследовал его. Оттуда горными тропами через верховья Чу он прошел к Боамскому ущелью, а оттуда - к Иссык-Кулю, обследовал его кольцевыми маршрутами, сделал несколько пересечений хребтов Кюнгей и Терскей-Ала-Тоо, а также Заилийского Алатау. Осенью того же года Мушкетов прошел на северо-восток, в долину реки Или, а по ней - в Кульджу. Затем он дважды пересек хребет Борохоро (северная окраина Тянь-Шаня), исследовал высокогорное озеро Сайрам-Нур, Джунгарский Алатау и по долине реки Боротала спустился к озеру Эби-Нур, совершив, таким образом, пересечение Западного и Центрального Тянь-Шаня.
За исследования Тянь-Шаня Мушкетов был избран действительным членом Русского Географического общества и награжден серебряной медалью. Ученому было тогда только 26 лет.
В 1877 года Мушкетов отправляется из Ферганской долины через Туркестанский хребет в Алай и ущелье Муксу, а затем, повернув вверх по Алайской долине, он пересек Заалайский хребет и вышел на Памир к озеру Каракуль, откуда возвратился в город Ош. Вторая часть этой экспедиции охватила Ферганский и Чаткальский хребты. В результате путешествия в приферганские горы и на Памир Мушкетов смог сравнить геологию северных и южных цепей Средней Азии и прийти к заключению о единстве их строения и об отсутствии меридиональных горных хребтов.
В следующем году неутомимый путешественник изучает верховье Алайской долины, проходит в долину реки Кызылсу и исследует геологию района стыка Ферганского и Алайского хребтов, откуда попадает в Центральный Тянь-Шань - к озеру Чатыркуль. Котловина этого озера поразила путешественника своей пустынностью; как будто нет, отмечает он, более безотрадного и безжизненного места на Тянь-Шане, только водоплавающая птица да снежные вершины окружающих гор немного оживляют этот тусклый пейзаж.
Чатыркульские горы своей формой напоминали потухшие вулканы, но при ближайшем знакомстве с ними обнаружилось, что они сложены порфирами и диабазами.
В 1879 году Мушкетов принял участие в большой самаркандской экспедиции, которая занималась изыскательскими работами по проектируемой трассе среднеазиатской железной дороги и изучением Амударьи как водного пути. Мушкетов работал в горах Гиссара, а затем на лодках по реке он прошел от Термеза до Турткуля. Отсюда путешественник вышел в Кызылкумы, пересек эту пустыню и окончил маршрут в Казалинске. За время работ в экспедиции Мушкетов познакомился с природой Туранской низменности.
Путешествуя по горам Средней Азии, Мушкетов наблюдал почти повсеместно в высоком поясе ясные следы древнего оледенения, а в ряде мест и современные ледники.
Ученый заметил, что характер оледенения гор Средней Азии не такой, как в Европе. Для внимательного изучения ледников Мушкетов в 1880 году снарядил специальную экспедицию в верховья Зеравшанского ледника, откуда берет начало река Матч, ниже принимающая название Зеравшан. К этому леднику стремился Федченко во время своей алайской экспедиции, однако так и не смог тогда проникнуть через Алайский хребет в бассейн Матча.
Путь был длинный. Ехали медленно, верхом на лошадях, а веши везли вьюком. Вьючные лошади шли шагом, и это задерживало весь караван, на ледник поднимались пешком. Необходимый груз несли местные жители - таджики-матчинцы. Во время путешествия Мушкетов вел подробный дневник, который дает наглядное представление о природе Средней Азии.
Зеравшан - очень интересная река. Она начинается высоко в горах и стремительно течет в широкие равнины, где орошает поля, плантации и сады Самарканда и Бухары. В течение тысячелетий человек создавал здесь оросительные каналы и отводил из Зеравшана воду на полив. Когда-то Зеравшан справа впадал в Амударью и был ее притоком, но теперь он не доносит своих вод до реки, доходя лишь до Каракульского оазиса.