Выступив из Кош-Агача в июне 1879 г. на восток, к озеру Убсу-Нур, Потанин по дороге подробно изучил горы близ 50° с. ш. Охватив исследованием всю Котловину Больших Озер, он также пришел к выводу, что Хиргис-Нур, Хара-Нур и Хара-Ус-Нур взаимно связаны речной системой. Все три озера, по Потанину, располагаются на широких плоских равнинах – «ступенях», понижающихся с юга на север и разделенных невысокими горами и холмами, но озеро Убсу-Нур не имеет связи с остальными.
Потанин, таким образом, завершил исследование Котловины Больших Озер – огромной (более 100 тыс. км2) впадины на северо-западе Монголии. Из Кобдо в сентябре он вернулся к Убсу-Нуру. Участник экспедиции топограф П. Д. Орлов произвел первую полную съемку озера – оно оказалось самым большим водоемом Монголии (3350 км2). Кроме того, Орлов самостоятельно проследил на юге и точно нанес на карту хребет Хан-Хухэй-Ула (длина около 250 км, вершины до 2928 м).
Поднимаясь от Убсу-Нура в горы, путешественники увидели на севере лесистый хребет Танну-Ола. «Горы, казалось, стояли сплошной стеной, – писала А. В. Потанина, – вершины были покрыты пятнами снега и по утрам дымились туманами…». В конце сентября, перевалив хребет, экспедиция спустилась в центральную часть Тувинской котловины – в долину р. Улуг-Хема (верхнего Енисея) – и, продвигаясь на восток, проследила ее более чем на 100 км и на столько же – долину р. Малого Енисея (Ка-Хем) до устья р. Улуг-Шивея. В результате пересечения Танну-Ола и 200-километрового маршрута по Тувинской котловине экспедиция точно нанесла на карту очертания главного хребта и его северных отрогов, а также уточнила картографическое изображение верховьев Енисея. Она поднялась по Улуг-Шивею до верховья, пересекла хребет Сангилен и, повернув на восток, к верховьям Дэлгэр-Мурэна, вышла к западному берегу Хубсугула, вдоль которого простирается хребет Баян-Ула с высотами более 3 тыс. м.
Путешествие закончилось в Иркутске. Дневники двух экспедиций Потанина составили четыре тома «Очерков Северо-Западной Монголии» (1881–1883 гг.), из них два тома этнографических материалов, собранных главным образом А. В. Потаниной.