В его работе преобладали тогда общегеографические и экономико-географические исследования. В октябре 1862 года ученый покинул берега Урала, отправившись за границу. Он хотел сравнить свои коллекции с зарубежными музейными образцами. После плена у кокандцев он искренне думал, что с далекими экспедициями покончено. Летом 1863 года Северцов согласился переехать в Киев и занять должность профессора зоологии в университете. Но именно в это время готовился поход генерала М. Г. Черняева в междуречье Чу и Сырдарьи. Северцов без колебаний вернулся на трудную и опасную стезю путешественника. Пять лет лелеял он мечту об исследованиях Высокой Азии, то есть горной части Туркестана. 1 мая 1864 года прибыл он в Верный (Алма-Ата) и вместе с препаратором выступил вслед за отрядом на запад. С Кастекского перевала (Заилийский хребет) открывалась Северцову грандиозная панорама Тянь-Шаньских гор. Северцову удалось наконец побывать в горах Каратау, на которые в 1858 году он мог лишь с горечью глядеть из своего плена. Теперь он тщательно исследовал их. Осмотрел также бассейны рек Таласа и Чаткала, совершил много высокогорных экскурсий, объездил окрестности Чимкента, Пишпека (Бишкека), Аулие-Аты (Джамбула). В центре внимания Северцова оказался Киргизский хребет, который поразил его и орографией, и богатством недр, и контрастностью пейзажей на разных высотах. Именно здесь впервые возникла у Северцова развитая им впоследствии мысль о вертикальных зонах, поясах. С долины реки Исык-Ата Северцов поднялся по северному склону Киргизского хребта до зоны ельника, но добраться до снежных вершин времени уже не было. Северцова, как и каждого, кто впервые попадает в Среднюю Азию, потрясли контрасты. Контрасты во всем: зной у подножия гор, в то же время дождь на их склонах, а еще выше снегопад. Глубокое впечатление произвели на Северцова такие грандиозные сооружения природы, как снежные мосты. Мосты эти Северцов видел в Кара-Кыспакском ущелье. Лавины, срываясь с огромной высоты с совершенно отвесных скал, накопляются над рекой в одном и том же месте и образуют плотные арки с полукруглыми сводами. Сверху снег порастает микроскопическими красными водорослями, что и придает мостам розовую окраску. Северцов насчитал семь таких мостов. Возвращался ученый из экспедиции с богатыми впечатлениями. Он увозил с собой готовый материал для отчета, первую геологическую карту Киргизского хребта, таблицу высот и ценные коллекции. 14 сентября 1867 года началось самое значительное исследование собственно Тянь-Шаня – поездка в центральную его часть на Нарын и Аксай. Северцов с отрядом в 15 человек, проводниками, двумя переводчиками и 40 стрелками направился из Верного к югу по реке Тургени (приток Или) к Заилийскому Алатау. Через Карача-Булакский перевал подошли к восточной оконечности озера Иссык-Куль. Необходимо было достичь цели до снегопада и буранов. Северцов, оставив задания участникам экспедиции, двинулся с препаратором Скорняковым вниз по долине Мерке, к реке Чарын, которая в верхнем течении называется Актогай. Здесь она с бешеной силой прорывается через мрачное дикое ущелье. На обратном пути Северцов и Скорняков потеряли направление и друг друга. Лишь через двое суток измученные, но переполненные впечатлениями, добрались они до отряда. База располагалась в маленьком укреплении Аксу близ устья реки Каракол. После короткого отдыха Северцов впервые близко подошел к озеру Иссык-Куль. Исследовав его берега, экспедиция перевалила через Терскей-Ала-Тоо и по Барскаунскому ущелью направилась к югу. На перевале Барскаун попали в туман с мелкой снежной изморозью. Потом началась метель с сильным ветром. Путешественники были легко одеты, так как раньше стояла теплая погода. Промокшие и застывшие, они разбили лагерь в южных предгорьях хребта Суек у замерзшего озерка. Здесь Северцов открыл новый вид мелких, очень красивых птиц, которых он назвал расписная синичка. В течение трех дней, проведенных отрядом на Аксайском плоскогорье, свирепствовала метель; условия работы были почти нестерпимы; только Северцов с его исключительной выносливостью и работоспособностью мог продолжать исследования и вдохновлял своим примером остальных.