В ноябре 1883 г. Пржевальский отправился в четвертое путешествие. Кроме В. И. Роборовского, он взял в помощники 20-летнего вольноопределяющегося Петра Кузьмича Козлова, ранее конторщика пивоваренного завода, в котором Пржевальский угадал настоящего исследователя. От Кяхты уже дважды изученным путем к маю 1884 г. экспедиция проследовала в Дзун.
На юго-востоке от Цайдама, за хребтом Бурхан-Будда, Пржевальский обнаружил бесплодное солончаковое «волнистое плато, часто покрытое небольшими... в беспорядке насыпанными горами», продолжавшееся далеко к юго-востоку. На плато паслись неисчислимые стада диких яков куланов антилоп и других копытных.
Миновав это звериное царство Пржевальский вышел к восточной части межгорной котловины Одонтала, покрытой «множеством кочковатых болот, ключей и маленьких озерков»; по котловине «вьются не большие речки, образующиеся частью из тех же ключей, частью с бегающие с гор. Все эти речки сливаются в два главных потока», соединяющихся к северо-восточному углу Одонталы. «Отсюда, то есть собственно от слияния всей воды Одонталы, и зарождается знаменитая Желтая река» (Хуанхэ). Хорошая погода, радовавшая путешественников в течение нескольких дней «вдруг сменилась сильной метелью, а к утру температура понизилась до —23°С. Двое суток пришлось ждать пока столь некстати выпавший снег растает». Наконец отряд смог двигаться дальше на юг. Пржевальский перевалил незаметный со стороны Тибетского плато водораздел истоков Хуанхэ и Янцзы (хребет Баян-Хара-Ула) и очутился в высокогорной стране. «Здесь горы сразу становятся высоки, круты и труднодоступны». Обследовав небольшой отрезок верхнего течения Янцзы, Пржевальский решил не тратить времени и сил на достижение милой его сердцу Лхасы. На обратном пути, восточнее Одонталы, он обнаружил два озера – Джарин-Нур и Орин-Нур, через которые протекала «новорожденная Хуанхэ».
Вернувшись к Цайдаму, Пржевальский проследовал по его южной окраине, открыл на юго-западе узкий, но мощный хребет Чиментаг и, таким образом, почти полностью оконтурил огромную (более 100 тыс. км) Цайдамскую равнину. Перевалив Чиментаг и северо-западный отрог новооткрытого Каякдыгтага, отряд вышел на большую широкую равнину Культала, уходившую «к востоку за горизонт». Далеко на юге перед Пржевальским открылся гигантский хребет широтного направления, названный им Загадочным, а усмотренную вершину – Шапкой Мономаха (7720 м). Позднее Загадочному было присвоено имя первооткрывателя (местное название Аркатаг; длина около 650 км, высота до 7723 м). Повернув обратно и достигнув примерно 38-й параллели, Пржевальский прошел на запад обширной межгорной Долиной Ветров, названной им так из-за постоянных ветров и бурь (долина р. Юсупалык). К северу от нее простирался Актаг, а югу – Каякдыгтаг и ранее неизвестный Аччиккёльтаг (Московский). На южном склоне Каякдыгтага, на высоте 3867 м, Пржевальский открыл соленое озеро, даже в конце декабря не покрытое льдом, и назвал его Незамерзающим (Аяккумкёль). Дальнейшее движение к югу было невозможно из-за приближающейся зимы и сильного утомления вьючных животных; отряд направился на север, спустился в котловину озера Лоб нор и на его берегу встретил весну 1885 г.
В начале апреля Пржевальский поднялся по долине р. Черчена до оазиса Черчен, а оттуда двинулся к югу, у 37° с. ш. обнаружил Русский хребет (до 6626 м) и проследил его к западу по всей длине (около 400 км) – до оазиса Керии, а на параллели 36° с. ш. он открыл короткий, но мощный хребет Музтаг (вершина 7282 м), примыкающий к Русскому. Затем отряд вышел к оазису Хотан, пересек в северном направлении Такла-Макан, Центральный Тянь-Шань и вернулся к Иссык-Кулю в ноябре 1885 г. В 1888 г. увидела свет последняя работа Пржевальского «От Кяхты на истоки Желтой реки» (из нее взяты вышеприведенные цитаты).