Перевалив через горы, пересекли уже знакомое по прошлым экспедициям высокогорье Цайдам. Далее начался тяжелейший переход по Тибету. Лошади и верблюды погибали в пути от голода и холода. Вновь пришлось сражаться с бандами местных разбойников. После того как отряд Пржевальского дал отпор семидесяти бандитам, на экспедицию нападать больше не решались, среди местного населения вновь начали ходить слухи о Пржевальском. Говорили, что «великий святой Запада идёт в Лхасу, чтобы встретиться с далай-ламой – великим святым Востока». В отличие от простых людей, местные власти тайно чинили препятствия экспедиции: когда до заветного города оставалось не более 250 километров, они открыто запретили отряду двигаться дальше как иноверцам. Никакие уговоры и убеждения не помогли. С тяжёлым сердцем пришлось возвращаться.
На обратном пути Пржевальский вновь посетил знакомое по первой экспедиции озеро Кукунор, изучив на этот раз его южный берег. Затем проследовали к совершенно неизученным верховьям китайской реки Хуанхэ, расположенным в северо-восточном углу Тибетского нагорья. В ноябре 1880 года отряд вернулся в Россию, вновь сократив обратный путь через центральную часть пустыни Гоби.
На родине прославленного путешественника ждал триумф. Уже по дороге из Кяхты в Петербург Пржевальский стал получать поздравительные телеграммы. Почти в каждом городе пришлось останавливаться и читать лекции о путешествии. Города Петербург и Смоленск избрали Пржевальского своим почётным гражданином, а Географическое общество – почётным членом. Пожизненную пенсию Пржевальскому удвоили. Научные материалы, полученные в экспедиции, были колоссальными. Отряд зашёл очень далеко вглубь Внутреннего Тибета, на карте Азии было зафиксировано более 4 тысяч километров пути, появилось несколько не известных ранее горных хребтов. Помимо знаменитой «лошади Пржевальского» были открыты «тополь Пржевальского», «шиповник Пржевальского», «зверобой Пржевальского», «рябчик Пржевальского» и многие другие виды животных и растений.
После трёх экспедиций Пржевальского на карте Центральной Азии произошли кардинальные изменения. Легендарное озеро Лобнор было признано географическим фактом, к югу от озера, там, где раньше на карте была равнина, поднялся горный хребет Алтынтаг. Посередине великой пустыни Гоби, где раньше на карте тоже указывалась равнина, появился хребет Хурху. Севернее Тибета появились хребты Гумбольдта, Риттера, Марко Поло, Северо-Тэтунгский, Южно-Тэтунгский, Южно-Кукунорский. Озеро Кукунор приобрело точные очертания.
Покончив с делами в Петербурге, Пржевальский уехал в своё имение в Смоленской губернии. Здесь он работал над третьей книгой – «Из Зайсана через Хами в Тибет и на верховья Жёлтой реки», а также составлял проект новой экспедиции. «Несмотря на удачу трёх моих экспедиций в Центральной Азии, – писал Пржевальский в докладной записке в Совет Географического общества, – внутри азиатского материка, именно на высоком нагорье Тибета, всё ещё остаётся площадь более 20 000 квадратных географических миль, почти совершенно неведомая… считаю своим нравственным долгом, помимо страстного к тому желания, вновь отправиться в Тибет и поработать там, насколько хватит сил и уменья, для пользы географической науки».
В ноябре 1883 года неугомонный путешественник выдвинулся из Кяхты в свою четвёртую экспедицию. Караван в этот раз состоял из 57 верблюдов и 7 лошадей. В состав экспедиции вошёл 21 человек. Помощниками Пржевальского были проверенный по прошлой экспедиции Всеволод Роборовский, а также новый ученик – будущий академик Пётр Кузьмич Козлов.
Главной задачей четвёртой центрально-азиатской экспедиции Пржевальский ставил изучение северной части Тибетского нагорья. В пустыне Гоби, которую путешественники пересекли в декабре 1883 года, они стали свидетелями красивейших вечерних и утренних зорь. Это явление было возможно из-за огромного количества вулканической пыли, которую выбросил в атмосферу вулкан Кракатау во время своего знаменитого и ужасного извержения 1883 года. Знакомым уже маршрутом путешественники дошли до озера Кукунор, а оттуда впервые в истории европейской науки достигли истоков реки Хуанхэ. Пржевальский взволнованно писал об этом: «Мы видели теперь воочию таинственную колыбель великой китайской реки и пили воду из её истоков. Радости нашей не имелось конца». В этих местах задержались надолго – исследовали истоки Жёлтой реки, окружающие её хребты и вершины. На карту нанесли два озера, которым дали название «озеро Русское» и «озеро Экспедиции».
За время пребывания в этой местности отряд не раз подвергался нападениям разбойников, которые, впрочем, каждый раз с успехом отбивал. В итоге Пржевальский решил сам атаковать разбойничий лагерь. 14 путешественникам противостояло 300 всадников, которые после короткого боя отступили.