В октябре 1863 года из кружка Богданова сформировалось Общество любителей естествознания, антропологии и этнографии (его возглавил геолог Г.Е. Щуровский). Участие в этом Обществе способствовало развитию различных сторон таланта Федченко. Его избрали секретарём Отделения антропологии, он стал заниматься наукой о человеке, не оставляя зоологию и изучая одновременно географию и геологию. Когда же была создана энтомологическая комиссия, Федченко стал её председателем, войдя и в созданное Богдановым Общество акклиматизации животных.
Федченко окончил университет в 1864 году со степенью кандидата. Материальные трудности семьи заставили его на первых порах работать преподавателем в училищах. Но уже через два года он был назначен помощником инспектора студентов Московского университета, что дало возможность посвятить свободное время научным исследованиям. Федченко перевёл на русский язык работу Георга Вайца «Антропология первобытных народов», составил каталог к готовящейся этнографической выставке. В это же время он женился на дочери университетского профессора Ольге Армфельдт. Окончившая Николаевский институт, Ольга занималась ботаникой. Вместе молодые учёные едут в 1867 году в Финляндию и Швецию, где Федченко проводил антропологические исследования, продолжая собирать насекомых.
По возвращении он принял участие в работе Первого съезда естествоиспытателей в Петербурге, куда съехались все светила российского естествознания: Д.И. Менделеев, А.Н. Бекетов, К.А. Тимирязев, П.А. Кропоткин, И.И. Мечников, Ф.П. Литке... Много говорилось о необходимости всестороннего исследования России, её природы, населения, хозяйства. На московском съезде Общества любителей естествознания профессор Г.Е. Щуровский выступил с призывом к организации экспедиционных исследований России. «Экспедиции составляют коренную потребность нашего общества. В них архимедов рычаг двигания русской науки». Когда туркестанский генерал-губернатор Кауфман обратился к учёным с просьбой организовать исследования только что присоединённых к России территорий, он вскоре получил следующий ответ Щуровского: «Мы избрали из своей среды молодого учёного, пользующегося нашим уважением по своим способностям, сведениям и по своему характеру, всегда благородному и неизменно стремящемуся к предложенной цели». Имелся в виду Алексей Федченко, которому тогда (в 1868 году) только что исполнилось 22 года... Для столь молодого возраста характеристика, данная профессором, была очень лестной.
Первая поездка в Туркестан
До начала экспедиции учёный был командирован вместе с женой в страны Европы. Он побывал в Вене, Германии, Италии, где консультировался с ведущими учёными по программе будущих исследований. А осенью 1868 года супруги Федченко и присоединившийся к ним по дороге препаратор И. Скорняков отправились в далёкое путешествие через Оренбург, Орск, приаральские пески... За 53 дня небольшой отряд добрался до Ташкента. Была середина зимы, но работа пошла. Были организованы метеорологические наблюдения в Самарканде, никогда ещё не проводившиеся в этих краях. Весной приступили к полевым работам в Зеравшанской долине.
О ней Федченко писал: «Это не более, если так можно выразиться, залив степи, глубоко врезавшийся между двух хребтов гор, с быстрой и каменистой рекой посредине. Природой дано, таким образом, два главных элемента, степь и горы. Труд человека, воспользовавшись рекой, прибавил третий — сады и поля».
Для Федченко был характерен комплексный подход к исследованию природы. Открыв истоки Зеравшана, всесторонне исследовав долину этой реки, обратив особое внимание на её хозяйственное освоение, он одновременно изучал богатый животный и растительный мир долины.