В 1867 г. Пржевальский получает командировку в Уссурийский край. По Уссури он дошел до станицы Буссе, потом на озеро Ханка, которое служило станцией во время перелета птиц и дало ему материал для орнитологических наблюдений. Зимой он исследовал Южно-Уссурийский край. Весной 1868 г. он снова отправился на озеро Ханка.
В первой экспедиции по Центральной Азии в 1870-1873 годах, исследуя Монголию, Китай и Тибет, Пржевальский выяснил, что Гоби - не поднятие, а впадина с холмистым рельефом. Наньшань - не хребет, а горная система. Он открыл нагорье Бэйшань, котловину Цайдам, три хребта в Куньлуне и семь крупных озер. Результаты экспедиции принесли ему мировую известность, Пржевальский был награжден высшей наградой Географического общества - Большой Константиновской медалью.
В 1876 г. Пржевальский предпринял второе путешествие из Кульджи на реку Или, через Тян-Шань и реку Тарим к озеру Лоб-Нор, южнее которого он открыл хребет Алтын-Таг; весной он на Лоб-Hopе воспользовался перелетом птиц для орнитологических исследований, а потом через Курла и Юлдус вернулся в Кульджу. Болезнь заставила его вернуться на время в Россию.
В третьей экспедиции по Центральной Азии 1879-1880 годов он выявил ряд хребтов в Наньшане, Куньлуне и на Тибетском нагорье (включая Тангла и Бокалыктаг), заснял озеро Кукунор, верховья Хуанхэ и Янцзы. В 1883 г. он предпринял четвертое путешествие, во главе отряда из 21 человека. Из Кяхты он двинулся через Ургу, старым путем, на Тибетское плоскогорье, исследовал истоки Желтой реки и водораздел между Желтой и Голубой, а оттуда прошел через Цайдам к Лоб-Нору и в Каракол, ныне Пржевальск. Путешествие окончилось лишь в 1886 г. Академия Наук и ученые общества всего света приветствовали открытия Пржевальского. Открытый им хребет назван хребтом Пржевальского.
Крупнейшими его заслугами является исследование горной системы Куэн-Луня, хребтов Северного Тибета, бассейнов Лоб-Нора и Куку-Нора и истоков Желтой реки. Пржевальским открыты целый ряд новых форм: дикий верблюд, лошадь Пржевальского, тибетский медведь, ряд новых форм других млекопитающих, собраны огромные зоологические и ботанические коллекции, которые заключают в себе много новых форм, описанных потом специалистами. Гербарии собранные им содержат около 16 тысяч экземпляров растений, составляющих 1700 видов, из которых 218 видов и 7 родов были описаны впервые. Поражали богатством его минералогические коллекции. Он получил высшие награды ряда географических обществ, избран почетным доктором нескольких университетов, стал почетным членом 24 научных учреждений ряда стран и почетным гражданином Петербурга и Смоленска.
Окончив обработку четвертого путешествия, Пржевальский готовился к пятому. В 1888 г. он двинулся через Самарканд к русско-китайской границе, где во время охоты простудился и умер 20 октября 1888 г. в Караколе, ныне Пржевальск. В 1891 году в честь Пржевальского Русское географическое общество учредило серебряную медаль и премию его имени; в 1946 была учреждена золотая медаль имени Пржевальского. В честь Пржевальского названы: город, хребет в Куньлуне, ледник на Алтае, несколько видов животных (в том числе лошадь) и растений.