Отсутствие средств заставило его вернуться в Пекин, откуда весной следующего, 1872, года Н. М. вновь достигает Алашаня и через восточную часть Нань-шаня добирается к озеру Куку-нор. Величественный Нань-шань поразил Пржевальского. «Поднявшись тысячи на 3 футов выше нашей стоянки, — писал он, — я взобрался на желанную вершину, откуда передо мной раскрылась дивная панорама. Долина Тэтунга, узкие ущелья, прихотливо сбегавшие к ней со всех сторон. Северный хребет и его снеговые вершины далеко на западе,— все это явилось в такой чудной картине, какую невозможно передать словами. Я первый раз в жизни находился на подобной высоте, впервые видел под своими ногами гигантские горы, то изборожденные дикими скалами, то оттененные мягкой зеленью лесов, по которым блестящими лентами извивались горные речки. Сила впечатления была так велика, что я долго не мог оторваться от чудного зрелища, долго стоял, словно очарованный, и сохранил в памяти этот день как один из счастливейших в целой жизни».
В октябре, достигнув озера Куку-нор, лежащего на высоте 3 200 м, Пржевальский первым из европейцев произвел его исследование.
Отсюда через восточную часть высокого болотистого Цайдама экспедиция проникла в Тибет. Зимний путь был поистине героическим. Голодные, в изорванной одежде, страдая от большой высоты, напрягая последние силы, путешественники шли, не прекращая работы, определяя высоты, ведя глазомерную съемку, собирая коллекции. Лишь достигнув верховий великой китайской реки Янцзы-цзян, Пржевальский повернул обратно и то лишь потому, что иссякли деньги. Обратный путь был не легче: путешественники шли от Алашаня на Ургу, пересекая Гоби, испытав все лишения похода в безводных пустынях.
Монгольское, или первое центральноазиатское путешествие не случайно принесло Н. М. Пржевальскому славу великого путешественника. На карту было положено более 11 000 км пути, значительная часть которого пролегала по неизведанным землям, определено множество астрономических широт и высот. Метеорологические наблюдения позволили впервые уверенно судить о характере климата. Коллекции растений и особенно животных, поразительные по точности и глубине наблюдения, впервые познакомили с фауной и флорой Монголии, Ордоса, Алашаня, Цайдама и Северного Тибета. Географическое общество присудило Пржевальскому золотую медаль, французская Академия — «Пальму академии». Золотую медаль прислало Парижское географическое общество, почетную грамоту — Международный географический конгресс.
В 1876 г. Пржевальский отправился в новое путешествие от Кульджи за Тянь-шань, на озеро Лоб-нор. Несмотря на тяжелую, изнурительную болезнь и бессонные ночи, Пржевальский ни на минуту не оставлял исследований.
Был исследован неизвестный европейской науке бассейн Лоб-нора: на берегах этого легендарного кочующего озера первым побывал Н. М. Пржевальский. Другим поразительным открытием был хребет Алтын-таг протяжением в 700 км, до того совершенно неведомый. Это открытие определило границу Тибета, «отодвинув» ее более чем на 300 км к северу.
