Рихтгофен считал, что русская экспедиция открыла какое-то другое озеро, а истинный Лобнор лежит севернее. Николай Михайлович ответил на замечание немецкого ученого небольшой заметкой в Известиях Русского географического общества . Затем он посетил Лобнор вторична после чего в полемику вступил его ученик Петр Козлов. И только через полвека загадка Лобнора была решена окончательно. Лоб по-тибетски означает илистый , нор по-монгольски озеро . Оказалось, что это болото-озеро время от времени меняет свое местоположение. На китайских картах оно было изображено в северной части пустынной бессточной впадины Лоб. Но затем реки Тарим и Кончедрья устремились на юг. Древний Лобнор постепенно исчез, на его месте остались только солончаки, блюдца небольших озерков. А на юге впадины образовалось новое озеро, которое открыл и описал Пржевальский. На Лобноре он охотился, изучал птиц, миллионы пернатых избирали озеро своим пристанищем на пути в Сибирь из Индии. Наблюдая их, ученый пришел к выводу, что перелетные птицы летят не по кратчайшему пути, как считалось до той поры, а по такому маршруту, чтобы захватить места для отдыха, с обильной пищей. Экземплярами редких птиц пополнилась на Лобноре коллекция Николая Михайловича. К востоку от Лобнора Пржевальский открыл широкую полосу песков Кумтаг. В начале июля экспедиция вернулась в Кульджу. Пржевальский был доволен: он изучил Лобнор, открыл Алтынтаг, описал дикого верблюда, добыл даже его шкуры, собрал коллекции флоры и фауны. Здесь же, в Кульдже, его ждали письма и телеграмма, в которых ему предписывалось непременно продолжать экспедицию. Весной Россия вступила в русско-турецкую войну, и Пржевальский отправил в Петербург телеграмму с просьбой перевести его в действующую армию. С ответной телеграммой пришел отказ: сообщалось о том, что Пржевальский произведен в полковники. Николай Михайлович давно и странно болел: нестерпимый зуд во всем теле мучил его. В последние дни августа, когда болезнь пошла на убыль, экспедиция тронулась из Кульджи караваном в 24 верблюда и три верховые лошади. Но болезнь обострилась. Пришлось вернуться в Зайсан русский пограничный пост в Южном Алтае. В госпитале Пржевальский провел несколько месяцев. Здесь с эстафетой из Семипалатинска он получил от брата письмо, в котором сообщалось о смерти матери. Теперь же к ряду всех невзгод прибавилось еще горе великое. Я любил мать всей душой... А через несколько дней пришла телеграмма из Петербурга, в которой военный министр в связи с осложнившимися отношениями с богдыханским правительством предписывал возвращаться назад.
Во время путешествия 1876-1877 годов Пржевальский прошел по Центральной Азии немногим более четырех тысяч километров ему помешали война в Западном Китае, обострение отношений между Китаем и Россией и, наконец, его болезнь. И все-таки это путешествие ознаменовалось двумя крупнейшими географическими открытиями низовьев Тарима с группой озер и хребта Алтынтаг. В Петербурге лучшие доктора смотрели его и пришли к заключению, что у пациента сильнейшее нервное расстройство и полный упадок сил. Они настоятельно рекомендовали Николаю Михайловичу оставить, хотя бы на время, дела и удалиться в какое-нибудь спокойное место, чтобы поправить здоровье. Пржевальский отправляется в Отрадное. Тем временем ученый мир отметил его последнее путешествие. Николай Михайлович стал почетным членом Академии наук. Берлинское географическое общество учреждает в честь Александра Гумбольдта Большую золотую медаль, и первый, кому ее присуждают, Пржевальский. Лондонское географическое общество вручает ему Королевскую медаль. Барон Фердинанд Рихтгофен, один из столпов географии, выпускает брошюру, посвященную Пржевальскому, где называет его гениальным путешественником. Слава растет и распространяется далеко за пределы России... Отдохнув, Пржевальский снаряжает новую экспедицию. На этот раз он взял в помощники казака Иринчинова, Федора Эклона, человека, надежного во всех отношениях, и своего товарища по училищу, молодого прапорщика Всеволода Роборовского, которому уже приходилось снимать местность и собирать гербарий; к тому же он был еще и хорошим рисовальщиком. Всего в Зайсане, где хранилось снаряжение от предыдущей экспедиции, собралось 13 человек. В марте 1879 года Пржевальский начал путешествие, названное им Первым Тибетским . От Зайсана он направился на юго-восток, мимо озера Улюнгур и вдоль реки Урунгу до ее верховьев, пересек Джунгарскую Гоби обширную волнистую равнину и довольно верно определил ее размеры. Джунгарская пустыня встретила их бурями. Слабые проблески солнца едва пробивались через несущуюся взвесь песка и пыли, и так всякий день с девяти-десяти утра и до заката солнца. Причем ветер возникал всегда в одной стороне. Пржевальский первым из исследователей Центральной Азии дал этому объяснение. Но вовсе не этой загадкой привлекала пустыня бурь. Именно здесь и только здесь можно встретить дикую лошадь. Местные жители называют ее по-разному: киргизы кэртаг , монголы тахи , но ни один ученый ее не видал. Часами выслеживал Пржевальский дикую лошадь, но никак не удавалось приблизиться на расстояние выстрела чутки, пугливы животные...
Лишь однажды вместе С Эклоном Николай Михаилович подкрался достаточно близко, но вожак стада, почуяв опасность, пустился в бегство, увлекая всех остальных. С досадой опустил тяжелый штуцер Пржевальский... Он наблюдал, изучал повадки лошади, а когда от охотника-киргиза получил в подарок шкуру дикой лошади, смог описать животное. Целых десять лет эта шкура оставалась единственным экземпляром в коллекции музея Академии наук, пока Грум-Гржимайло, а позже Роборовский и Козлов ученики Николая Михайловича, не добыли новые шкуры. Но до Пржевальского о существовании дикой лошади, получившей название лошади Пржевальского, наука вообще не знала. Еще один новый год 1880-й встречен в дороге. Сильные морозы с ветрами, горные перевалы, на которые приходилось втаскивать лошадей и верблюдов, затрудняли работу экспедиции. Хронометры, спрятанные на ночь в меха, промерзали настолько, что их было невозможно удержать в руках. Разжечь костер удавалось далеко не всегда топлива остался лишь скудный запас, и воду приходилось пить чуть теплой. Пищу расходовали экономно. Миновав озеро Баркёль, Пржевальский вышел к оазису Хами. Он пересек далее восточную окраину Гашунской Гоби и достиг низовьев реки Данхэ (левый приток нижней Сулэхэ), а к югу от нее обнаружил громадный вечноснеговой хребет Гумбольдта (Улан-Дабан). Через перевал Данцзинь на стыке хребтов Алтынтага и Гумбольдта Пржевальский прошел на юг к равнине Сартым, пересек ее и установил начало хребта Ритгера (Дакэн-Дабан). Перейдя через два других, меньших хребта, он спустился в юго-восточную часть Цайдама, в поселок Дзун. Из Дзуна Пржевальский двинулся на юго-запад и выяснил, что Кульлунь здесь имеет широтное направление и состоит из двух, иногда из трех параллельных цепей, имеющих разные названия в различных своих частях. Пржевальский выявил следующие хребты: Сасун-Ула и западную часть Бурхан-Будда; несколько южнее Бокалыктаг, названный им хребтом Марко Поло (с вершиной 6300 метров). К югу от Бокалыктага, перевалив Кукушили, Пржевальский обнаружил хребет Бунгбура-Ула, который протягивается вдоль левого берега Улан-Мурэна (верховье Янцзы). Далее к югу перед путешественником простирался уже собственно Тибет, представляющий грандиозную, нигде более на земном шаре в таких размерах не повторяющуюся столовидную массу, поднятую... на страшную высоту. И на этом гигантском пьедестале громоздятся... обширные горные хребты... Словно стерегут здесь эти великаны труднодоступный мир заоблачных нагорий, неприветливых для человека по своей природе и климату и в большей части еще совершенно неведомых для науки...
За 33-й параллелью Пржевальский открыл водораздел Янцзы и Салуина широтный хребет Тангла. Пройдя на юг с пологого, едва заметного перевала на высоте около 5000 метров, Пржевальский увидел восточную часть хребта Пьенчен-Тангла. Несколько раз на экспедицию нападали разбойники из племени тангутов, которые обычно грабили караваны богомольцев, направлявшихся в Лхасу. В Пекине и в Петербурге Пржевальского уже считали погибшим. В газетах появились сообщения, рассказывающие о его трагической гибели в пустынях Тибета. Одна из петербургских газет объявила, что Пржевальский жив, но томится в плену, и требовала снарядить экспедицию для его поисков и освобождения. Тем временем экспедиция находилась примерно в 270-280 километрах от Лхасы. Здесь русские путешественники встретили представителей далай-ламы. В Лхасе распространился слух, что русский отряд идет с целью похитить далай-ламу, и путешественникам отказали в посещении столицы Тибета, правда, под тем предлогом, что русские представители другой веры. Пржевальский прошел тем же путем до верховьев Янцзы и несколько западнее прежнего маршрута в Дзун. Оттуда он повернул к озеру Кукунор и обошел его с юга. На этот раз Пржевальский более основательно, чем в прошлой своей экспедиции, изучил озеро, нанес на карту южный берег, изучил флору и фауну окрестностей, а потом направился в Синин город, лежащий на перекрестке торговых путей, соединяющих Тибет и Китай. Оттуда он намеревался двинуться к верховьям Хуанхэ в области, совершенно еще не изученные. Однако местные власти выдвинули множество веских причин, перекрывающих экспедиции предстоящий путь. А в конце, убедившись в непреклонном решении Пржевальского идти к намеченной цели, припугнули кровожадными разбойниками и безжалостными людоедами. Но Пржевальского не остановить, он рвется к Желтой реке. Они пошли от Синина напрямик, через гряды горных хребтов, по альпийским лугам, обходя глубочайшие пропасти, пробираясь через тесные ущелья, пробитые в горах бурным течением Желтой реки. В этом горном краю, в преддверии верховьев Хуанхэ, удалось собрать богатый гербарий, в который попал и новый вид тополь Пржевальского. Однако ближе к верховьям продвинуться не удалось: путь преграждали либо непроходимые ущелья, либо отвесные горные склоны. Четверо суток искали возможности переправиться на другой берег, но река оказалась очень бурной... Вернувшись в Дзун, Пржевальский через пустыню Алашань и Гоби добрался до Кяхты. Во время этого путешествия он прошел около восьми тысяч километров и произвел съемку более четырех тысяч километров пути через совершенно не исследованные европейцами районы Центральной Азии.