В 1870 г. Русское географическое общество организовало экспедицию в Центральную Азию. Начальником ее был назначен талантливый офицер Генерального штаба Николай Михайлович Пржевальский, уже известный своими исследованиями Уссурийского края.
В ноябре 1870 г. с помощником Михаилом Александровичем Пыльцовым и двумя казаками он переехал из Кяхты в Ургу и на пути в Пекин пересек в юго-восточном направлении монгольские степи и пустыню Гоби, установив, что она в среднем ниже, а рельеф ее сложнее, чем предполагали раньше.
От Пекина Пржевальский в начале 1871 г. двинулся на север, к озеру Далайнор, и произвел его полную съемку. Летом он проехал к городу Баотоу и, переправившись через Хуанхэ (110° в. д.), вступил на плато Ордос, которое «лежит полуостровом в колене образуемом изгибами среднего течения Хуанхэ». На северо-западе Ордоса он описал «оголенные холмы» — пески Кузупчи.
«Тяжело становится человеку в этом... песчаном море, лишенном всякой жизни... – кругом тишина могильная». Проследив течение Хуанхэ вверх от Баотоу до Динкоучжэнь (40° с. ш., около 400 км), Пржевальский двинулся на юго-запад через «дикую и бесплодную пустыню» Алашань, покрытую «голыми сыпучими песками», всегда готовыми «задушить путника своим палящим жаром», и достиг крупного, высокого (до 1855 м), но узкого меридионального хребта Хэланьшань, вытянутого вдоль долины Хуанхэ у 106° в. д., «словно стена среди равнины».
Наступила зима, к тому же серьезно заболел Пыльцов, и они вынуждены были повернуть обратно. К северу от луки Хуанхэ Пржевальский вышел к безлесному, но богатому ключами хребту Ланьшань, стоящему «отвесной стеной, изредка прорезанной узкими ущельями», и проследил его на всем протяжении (300 км) а восточнее обнаружил крутой хребет, поменьше и пониже, — Шэйтэн-Ула. Новый год путешественники встретили в Чжанцзякоу. Прикомандированных к отряду казаков сменили два других; один из них, бурят Дондок Иринчинов, сопровождал Пржевальского во всех остальных центральноазиатских путешествиях.
Весной 1872 г. Пржевальский прежним путем добрался до южной части пустыни Алашань. «Пустыня кончилась... чрезвычайно резко[;] за ней поднималась величественная цепь гор» – восточный Наньшань, который оказался горной системой, и Пржевальский выделил в ней три мощных хребта: Окраинный (Маомаошань, до 4053 м), Малиншань (Лэнлунлин, до 5243 м) и Циншилин (до 5230 м). Пробыв там около двух недель, он вышел к бессточному соленому озеру Кукунор (около 4200 км2), лежащему на высоте 3200 м. «Заветная цель экспедиции... достигнута. Правда, успех был куплен ценой... тяжелых испытаний, но теперь все пережитые невзгоды забыты, и в полном восторге стояли мы... на берегу великого озера, любуясь на его чудные темно-голубые волны».
Закончив съемку северо-западного берега озера Кукунор, Пржевальский перевалил мощный хребет Кукунор и прошел в поселок Дзун, находящийся на юго-восточной окраине болотистой равнины Цайдам. Он установил, что это котловина и что ее южной границей служит хребет Бурхан-Будда (высотой до 5200 м), составляющий «резкую физическую границу стран, лежащих по северную и южную его сторону... С южной стороны... местность поднимается на страшную абсолютную высоту... На западе же равнина Цайдама уходит безграничной гладью за горизонт...». К югу и юго-западу от Бурхан-Будда Пржевальский открыл горы Баян-Хара-Ула (до 5445 м) и восточный участок Кукушили, а между ними обнаружил «волнистое плато», представляющее собой «страшную пустыню», поднятую на высоту более 44100 м. Так Пржевальский первым из европейцев проник в глубинную область Северного Тибета, к верховьям Хуанхэ и Янцзы (Улан-Мурен). И правильно определил, что именно Баян-Хара-Ула является водоразделом между обеими великими речными системами.
Путешественники встретили там новый, 1873 г. «Жизнь паша была в полном смысле борьбой за существование»: продукты кончились, наступили сильные холода, а одежда поизносилась, особенно пострадали сапоги; начало сказываться долгое пребывание на большой высоте. В конце зимы Пржевальский вернулся в Дзун. Встретив весну на озере Кукунор, он прежним путем без проводника прошел к южной окраине пустыни Алашань. «Безграничным морем лежали... перед нами сыпучие пески, и не без робости ступали мы в их могильное царства». Вдоль хребта Хэланьшань (уже с проводником) они в страшную жару двинулись на север и пересекли восточную часть пустыни, причем едва не погибли от жажды: проводник сбился с дороги. Миновав западные предгорья хребта Ланьшань, Пржевальский прошел через наиболее безводную, «дикую и пустынную» часть Гоби и у 42°20' с. ш. открыл гряду Хурх-Ула (вершина – 1763 м, крайний юго-восточный отрог Гобийского Алтая). Он вернулся в Кяхту в сентябре 1873 г.
По пустыням и горам Монголии и Китая Пржевальский прошел более 11 800 км и при этом снял глазомерно (в масштабе 10 верст в 1 дюйме) около 5700 км. Научные результаты этой экспедиции поразили современников. Пржевальский дал подробные описания пустынь Гоби, Ордоса и Алашани, высокогорных районов Северного Тибета и котловины Цайдама (открытой им), впервые нанес на карту Центральной Азии более 20 хребтов, семь крупных и ряд мелких озер.
Двухтомный труд «Монголия и страна тангутов» (1875—1876 гг.), в котором Пржевальский дал описание своего путешествия и опубликовал материалы, доставил автору мировую известность и был полностью или частично переведен на ряд европейских языков.