После окончания Горного института Ф. Н. Чернышев ежегодно в течение 10 лет отправлялся на Южный Урал и стал подлинным знатоком не только геологии, но и географии Уральского хребта. В 1886 г. в «Трудах Геологического комитета» вышел в свет «Орографический очерк 139-го листа», написанный Феодосием Николаевичем совместно с А. П. Карпинским. В этой работе дано описание рельефа северной части Южного Урала, установлена и геологически подтверждена непрерывность и самостоятельность главного хребта Уралтау, выступающего водораздельной линией между азиатскими и европейскими речными системами.
Новым в географии Урала стало истолкование А. П. Карпинским и Ф. Н. Чернышевым значения горы Юрма, находящейся в границе Среднего и Южного Урала, которая со времен А. Гумбольдта считалась горным узлом с веерообразно расходящимися цепями Уренга, Уралтау и Ильменских гор. На самом деле оказалось, что горная цепь, включающая эту гору с примыкающими к ней Таганаем, Коссотуром и Уренгой, с одной стороны, и Ильменскими горами — с другой, является хребтом, параллельным Уралтау.
В работах Ф. Н. Чернышева была дана геологическая основа всей горной системы северо-запада Южного Урала, представляющей собой ряд параллельных складок, вытянутых в северо-восточном направлении. Только там, где петрографический состав пород отличается большей сложностью и различным отношением к денудирующим факторам, правильность горных систем искажается. Ф. Н. Чернышев показал, что вся западная часть 139-го листа состоит из собственно гористой части, примыкающей к хребту Уралтау и характеризующейся типичной складчатостью, не замаскированной денудационными процессами, и степной области, в которой пласты горных пород залегают почти горизонтально и рельеф обусловлен преимущественно денудацией.
Феодосий Николаевич высказал сомнения в целесообразности выделения Уфимского плоскогорья в самостоятельную орографическую единицу. Это плоскогорье представляет собой широкую антиклинальную складку с довольно крутым восточным крылом, и поле каменноугольных образований не выделяется по отношению к остальной местности.
Исследования Ф. Н. Чернышева на Южном Урале показали, что реки западного склона в верхнем течении имеют меридиональное направление, протекая по продольным долинам, а затем круто поворачивают в широтном направлении. В среднем течении они текут по глубоким поперечным долинам, рассекающим горные хребты. В нижнем течении они, как правило, имеют широкие аллювиальные долины и хорошо выраженные террасы.
В «Геологическом описании 139-го листа», вышедшем в 1889 г., основные черты орографии этой части Урала объясняются им на основе тектонических особенностей территории. В середине 139-го листа господствует простирание горных хребтов с северо-востока на юго-запад, тогда как в западной части оно сменяется на широтное, что объясняется действием тангенциального давления двух типов — в направлении с северо-запада на юго-восток и приблизительно перпендикулярного ему. Первое из них проявлялось интенсивнее и дольше.
Продольные долины, по которым протекают реки в своем верхнем течении, интерпретируются как структуры синклинальные или изоклинальные при отсутствии таковых антиклинального типа. В среднем течении реки текут по поперечным ущельевидным долинам, представляющим собой долины размыва, более древние, чем долины пересекаемых ими горных хребтов, поскольку размывающая деятельность рек шла быстрее горообразовательных процессов. Этим объясняется и то, что главный водораздельный хребет Урала значительно ниже более новых параллельных ему хребтов, пересеченных речными долинами. Речные террасы в нижнем течении рек рассматриваются Ф. Н. Чернышевым как следствие колебаний уровня Каспийского моря.
Э. Перна в своем докладе на заседании Отделения физической географии Русского географического общества отмечал: «„Орографический очерк“ и „Тектоническое описание“ Ф. Н. Чернышева являются как бы одним целым: одно дополняет другое; что высказано в одном, то доказывается и обосновывается в другом. Здесь как нельзя лучше подтверждается тесная связь, существующая между географией и геологией»[34]. Действительно, во второй половине XIX в. успешно преодолевалась разобщенность этих наук, и геологическая интерпретация географических явлений благотворно сказалась на дальнейшем прогрессе физической географии, чему немало способствовали труды Ф. Н. Чернышева.