После всех этих «экскурсий» в сторону Тибетского нагорья экспедиционеры собрали всевозможные сведения о необитаемых землях к югу от хр. Пржевальского, и к осени 1890 г. решено было завершить здесь исследования и возвращаться на родину. Для этого предстояло пройти еще около 2000 км: мимо озера Лобнор к предгорьям Тянь-Шаня (через города Курля, Карашар, Токсун и Урумчи), а дальше через Джунгарию к г. Зайсан.
Обратный путь занял несколько месяцев, во время которых научная работа продолжалась. Во-первых, были подтверждены слухи о «кочующем» озере Лобнор и установлены причины этого явления, во-вторых, когда в ноябре 1890 г. экспедиция дошла до Турфанского оазиса, точнее до городка Токсун на его западной окраине, там было сделано еще одно из важных открытий — в центре Азиатского материка обнаружили огромную впадину, Турфанскую депрессию. М. В. Певцов не мог знать, что за несколько месяцев до этого здесь же (только на восточной окраине того же оазиса, в Люкчуне) побывала другая русская экспедиция — братьев Г. Е. и М. Е. Грумм-Гржимайло, которые пришли к аналогичному выводу. Это открытие не только объяснило особенности климата этой части Восточного Туркестана, но и дало возможность более точной интерпретации метеонаблюдений по всему центральноазиатскому нагорью. Подобными сведениями из самого центра Азии до этого наука не обладала.
Далее путь исследователей лежал в г. Урумчи, раскинувшийся уже на северных склонах Тянь-Шаня, и через известную дорогу по Джунгарии к г. Зайсан, конечному пункту путешествия. 3 января 1891 г. двухгодичная Тибетская экспедиция под руководством М. В. Певцова завершилась.
Подробно итоги этого путешествия были изложены в трехтомных «Трудах Тибетской экспедиции» и ряде научных статей ее участников. Однако даже простой перечень их основных достижений свидетельствует об исключительной результативности экспедиции.
Прежде всего, были собраны колоссальные новые данные об орографии Куньлуня и о каменистой пустыне севе-ро-западного Тибета с его высокими горными кряжами, внесены существенные исправления в схематическую карту этой горной системы, часть которых, кстати, была подтверждена отдельными съемками другого путешественника, Б. Л. Громбчевского, также побывавшего у северо-западных окраин Тибета в 1889–1890 гг. М. В. Певцову удалось описать множество известных только местным жителям караванных дорог и троп, которые связывали их с тибетцами. Участникам экспедиции удалось открыть в глубинах Куньлуня и севе-ро-запада Тибетского нагорья несколько небольших озер и ледников и уточнить течение р. Тизнаф. Между прочим, Певцов разузнал и об одной старинной, ныне почти забытой дороге через пустыню Такла-Макан, некогда соединявшей г. Аксу (у южных склонов Тянь-Шаня) и долину реки Яр-кенд-дарьи (в предгорьях Куньлуня), до него вовсе не известной европейцам. Все это было сведено на «Карте Восточного Туркестана и северных окраин Тибетского нагорья», суммировавшей географические открытия экспедиции.
Не менее ценными для науки оказались и добытые в предгорьях Куньлуня систематические метеорологические данные, позволившие надежно судить о своеобразии климата в самой сердцевине Центральной Азии. На основании этих наблюдений Певцов написал статью «Климат Кашгарии» (1894), которая была высоко оценена ведущим русским климатологом А. И. Воейковым.
В положительных отзывах специалистов разных профилей на достижения участников экспедиции почти всегда подчеркивался высокий методический уровень проведенных изысканий. Даже обычные рекогносцировочные работы, которые, к примеру, в экспедициях Пржевальского осуществлялись во время стремительных переходов от оазиса к оазису, т. е. «линейно» и мимоходом, М. В. Певцов проводил систематически и обстоятельно, стараясь охватить обследованиями широкие площади. В результате уровень рекогносцировочной изученности пройденных экспедицией территорий заметно улучшился.
В целом собранные экспедицией Певцова материалы позволили создать одно из самых обстоятельных и разносторонних географических описаний Восточного Туркестана и прилегающих областей Северного Тибета. Кроме того, в деятельности экспедиции было еще одно направление, которое поначалу выглядело вполне ординарно, но благодаря силе творческой личности М. В. Певцова превратилось в значительный и оригинальный вклад в общее дело — все более глубокое знакомство с населением Центральной Азии.