Со Средней Азией Дмитрий Львович Иванов впервые познакомился по собственному желанию, но своеобразным путем: арестованный по делу Д. В. Каракозова в 1866 г., он был отправлен по этапу в Оренбург и зачислен рядовым в полк, в следующем году по его просьбе переведен в Ташкент, в 1870 г. прикомандирован к военной экспедиции, исследовавшей верховья Зеравшана. После амнистии он окончил Горный институт (1878 г.) и вернулся в Ташкент чиновником по особым поручениям.
В 1879 г. он изучал часть Западного Тянь-Шаня между Таласом и Чирчиком, относительно которой существовали лишь гадательные сведения. К югу от Таласа он выделил сравнительно длинную (около 270 км) широтную водораздельную цепь, венчающуюся величественной горой Манас (4482 м), и назвал ее Таласским Алатау, проследил и нанес на нарту его параллельные юго-западные отроги: Чаткальский и Чандалашский хребты, Ойгаимские горы (на наших картах – Пскемский хребет), Бадамскую ветвь (теперь Каржантау).
В начале 80-х гг. XIX в. на «крышу мира» вновь было обращено внимание, правда, сначала с чисто научной целью. Петербургский ботанический сад для сбора образцов высокогорной флоры направил на Памир своего сотрудника Альберта Эдуардовича Регеля, возглавившего отряд из пяти человек. Летом 1881 г., проведя ряд маршрутов в Гиссарском хребте, он перевалил хребет Петра I в западной части и из долины р. Обихингоу вышел к поселку Калаихумб, где зимовал.
Летом следующего года Регель с топографом П. Е. Косяковым начали изучение западной окраины Памира. Косяков осмотрел всю долину р. Ванча, одного из правых притоков Пянджа, и в его истоках положил начало открытию мощного меридионального хребта Академии Наук. Регель, поднявшись по Пянджу, выявил значительную излучину реки, обследовал долину р. Бартанг и выяснил, что выше по течению он называется Мургаб, а в верховьях – Оксу. От устья р. Гунт оба исследователя переправились на левобережье, впервые взошли на фактически открытый ими меридиональный хребет Лаль и нанесли на карту высокогорное озеро Шива, оказавшееся, вопреки слухам, маленьким водоемом. После возвращения на правый берег Пянджа, уже глубокой осенью, Регель обследовал долину р. Шахдара до верховья, а в начале зимы пытался проникнуть к верхнему Пянджу, но его не пустили афганские власти. На Гиссаре и Памире он собрал крупную – около 100 тыс. экземпляров – ботаническую коллекцию. По своим данным и материалам предшественников Регель и Косяков составили карту Западного Памира.
И все же значительная часть этой горной страны еще оставалась «белым пятном», а имевшиеся карты противоречили одна другой. Поэтому в 1883 г. была снаряжена первая официальная Памирская экспедиция под руководством капитана русского Генерального штаба Дмитрия Васильевича Путяты. Ее сотрудники, главным образом Д. Л. Иванов, охватили Восточный и Южный Памир несколькими маршрутами. К северу от озера Рангкуль, между бассейнами Амударьи и Тарима, Иванов выделил широтную водораздельную гряду и примыкающие к ней с севера и юга меридиональные горы. Исследование района показанной на карте одинокой горы Музтагата и ее ледников привело к новому открытию: оказалось, что здесь расположены два коротких хребта. В центральной и южной частях Памира, по обоим берегам рек Мургаб, Аличур и Памир, Иванов установил наличие по крайней мере четырех более или менее параллельных «линий гор» почти широтного простирания. Это хребты наших карт: Музкол, Северо-Аличурский, Южно-Аличурский и Ваханский; длина их от 110 до 160 км, вершины от 5704 до 6281 м.
Иванов предложил разделить Памир (до китайской границы) по особенностям рельефа и абсолютным высотам на Луговой и Горный, Для первого характерны сравнительно широкие ровные речные и озерные долины, то резко очерченные крутыми более или менее высокими горами, то соединяющиеся друг с другом низкими холмообразными отрогами или разбросанными отдельными грядами, гривками, холмами. Горный Памир отличается узкими, глубокими долинами, прорезанными бурно текущими реками. Это геоморфологическое деление Памира в основном отвечает современным представлениям о его рельефе, но Горный Памир теперь обычно называют Западным, а Луговой – Центральным или Восточным. Впрочем, последний термин не точен, ибо за Сарыкольским хребтом простирается принадлежащая Китаю восточная полоса Памира – так называемый Кашгарский Памир. Как и Западный Памир, он резко расчленен глубокими речными ущельями.
Иванов дал первые – и правильные – геологические сведения о Памире, Прекрасный рисовальщик, он не только иллюстрировал собственную работу по Памиру, но и давал свои произведения для ряда других изданий. По отзывам современников, из его рисунков, этюдов и альбомов можно было бы составить отдельную экспозицию. Он создал также первый русско-шугнанский словарь. Топограф экспедиции Николай Александрович Бендерский, выполнявший иногда самостоятельные маршруты, составил карту Памира, дававшую хорошее (для того времени) представление о географии этого высокогорного региона. Путята в 1884 г. опубликовал «Очерк экспедиции в Памир...».
Летом 1887 г. на севере Памира, в бассейне р. Мургаб, работал молодой энтомолог Григорий Ефимович Грумм-Гржимайло, Собирая памирских бабочек, он с братом Михаилом Ефимовичем, в роли топографа поднялся к истокам р. Танымас и открыл группу ледников, оказавшихся, как выяснилось позднее, центральной частью единого ледника Федченко. Вскоре начался разлив рек, и исследователям пришлось временно отказаться от съемок. С трудом братья прошли на восток и, перевалив Сарыкольский хребет, нанесли на карту две реки, составляющие р. Ташкурган (система р. Яркенд), а также один из крупных притоков южной составляющей. Г. Грумм-Гржимайло установил, что в западной части горной системы Куньлунь хребты имеют меридиональное направление – южный отрезок Сарыкольского хребта, Ташкургантаг и Музтаг.