Там он продолжал сравнивать фауну Средней Азии с фаун Доклад Северцова на Парижском конгрессе О следах ледяного периода на Тянь-Шане , прочитанный на французском языке, был признан одним из лучших. Его Карта высот Внутренней Азии , экспонированная в русском павильоне на Выставке, привлекла всеобщее внимание. Северцов был удостоен высшей награды конгресса, медали первого класса За путешествия в Туркестане и исследования Тянь-Шаня . 11 августа 1875 года закончилась работа конгресса. С этого времени имя Северцова как путешественника, зоолога, геолога и географа получило мировую известность. Поработав в парижских музеях, где он уточнял свои определения некоторых видов животных, Северцов выехал в Лондон. Там он продолжал сравнивать фауну Средней Азии с фаун Даже видавшим виды среднеазиатским путешественникам Северцову и Мушкетову причиняла большие страдания резкая смена температуры. Обжигающий зной на солнце, немедленно сменявшийся ледяным холодом, едва ступишь за пределы солнечного облучения. Дули сильные ветры, переходящие зачастую в песчаные бури и смерчи. Хотя вести исследования в таких условиях было очень трудно, но обычная работа по топографической съемке, климатическим наблюдениям и по сбору коллекций не прекращалась ни на один день. 30 июля добрались, наконец, до желанной цели высокогорного бессточного озера Каракуль, о суровости и безжизненности которого существовало множество легенд. Иссиня-черные воды озера, высокие голые скалы, окружающие его, поразили путников своим мрачным величием. На правом берегу реки Гунт, вытекающей из проточного озера Яшилькуль, Северцов открыл колоссальный снеговой Рушанский хребет, правильно определил его окончание у впадения Гунта в Пяндж и обнаружил главную вершину хребта (пик Патхур, 6083 метра). Восточнее Яшилькуля он открыл группу бессточных мелких озер. Нехватка провианта и особенно соли, утонувшей при переправе в начале пути, заставила отряд вернуться в Ош. Работы экспедиции закончились к началу 1879 года. Результаты ее произвели подлинный переворот в существовавших представлениях о Памире. Ранее Памир считали прямым продолжением Тянь-Шаня. Северцов впервые доказал, что это независимая, самостоятельная горная система. В этой экспедиции впервые был использован фотоаппарат. Однако Северцов по своему обыкновению делал зарисовки. Он написал с натуры архара, яка, горного козла и других животных. Результаты Фергано-Памирской экспедиции были изложены Северцовым в ряде статей и монументальном труде Орографический очерк Памирской горной системы . Даже сам Северцов, всегда скромный и требовательный к себе, вынужден был признать, что после этой экспедиции Памир из страны, ...относительно фауны и флоры совершенно неизвестной, сразу сделался одной из наиболее исследованных в Азии .
В 1878 году Географическое общество наградило Северцова медалью Литке, а в 1883 году Золотой Константиновской медалью. Отзыв вице-президента Русского Географического общества Семенова-Тян-Шанского, высоко ценившего Северцова, гласил: Памирское путешествие достойным образом увенчало почтенные его труды... В своем интереснейшем сообщении в Географическом обществе он превзошел самого себя . Казалось бы, Северцов познал природу Средней Азии досконально. Тем не менее требовательный к себе ученый не удовлетворился достигнутым, для обобщения ему не хватало каких-то штрихов, уточнений, и он в 1879 году совершает путешествие в Семиречье. Экспедиция дала возможность Северцову собрать недостающие сведения для задуманного большого труда о распространении животных Средней Азии. Однако опубликовать его при жизни Северцову не удалось. Изданы были лишь отдельные фрагменты. Северцов прибыл в Петербург из Семиречья совсем больным. По настоянию родных и друзей он принял решение покончить с экспедициями. Северцов занялся разбором коллекций, заметок и дневниковых записей. В 1880 году наступила пора кабинетной работы. Семья уже постоянно жила в Москве. 26 января 1885 года Северцов выехал в коляске, запряженной тройкой лошадей из Петровского. Лошади не удержались на обледенелом берегу реки, и коляска с разгона угодила в большую полынью. Северцов выбрался на лед, но упал и потерял сознание. Через полтора часа приехавший врач установил смерть. Северцов был похоронен на старинном кладбище близ его усадьбы в родном Петровском.