В 1876—1877 гг. Пржевальский совершил второе путешествие по Центральной Азии. При этом он прошел немногим более 4 тыс. км – помешала война в Западном Китае, обострение отношений между Китаем и Россией и, наконец, его болезнь. И все-таки эта путешествие ознаменовалась двумя крупнейшими географическими открытиями – низовьев Тарима с группой озер и хребта Алтынтаг. Эти достижения выдающийся знаток Китая Фердинанд Рихтгофен справедливо назвал величайшими открытиями.
Прибыв в Кульджу (у 44° с. ш.) в июле 1876 г., Пржевальский вместе с помощникам Федором Леонтьевичем, Эклоном, в середине августа двинулись вверх по «гладкой, как пол», долине Или и ее притока Кунгеса и перевалили главную водораздельную цепь Восточного Тянь-Шаня. Пржевальский доказал, что эта горная система в средней части разветвляется; между ответвлениями он обнаружил два изолированных высоких плато – Их-Юлдуза и Бага-Юлдуза в верховьях р. Хайдык-Гола, впадающего в озеро Баграшкёль.
К югу от озера он пересек западную оконечность «безводного и бесплодного» хребта Куруктаг (до 2809 м) и правильно определил его как «последний отрог Тянь-Шаня в Лобнорскую пустыню». Далее к югу расстилались «необозримой гладью пустыни Тарима и Лобнора. Лобнорская... самая дикая и бесплодная из всех... хуже даже Алашаньской». Достигнув низовьев Тарима, Пржевальский впервые описал их. На его карте р. Кончедарья получила правильное изображение; появился «новый», северный рукав Тарима – р. Инчикедарья. Маршрут через песни Taкла-Макан до оазиса Чарклык, в низовьях р. Черчен (бассейн Лобнора), также впервые описанный Пржевальским, позволил ему установить восточную границу пустыни Такла-Макан.
Еще на переправе через р. Тарим у 40° с. ш. Пржевальский увидел далеко на юге «узкую неясную полосу, чуть заметную на горизонте». С каждым переходом все отчетливее выступали очертания горного кряжа, и вскоре можно было различить не только отдельные вершины, но и большие ущелья. Когда же путешественник прибыл в Чарклык, то хребет Алтынтаг, не известный ранее европейским географам, явился перед ним «громадной стеной, которая далее к юго-западу высилась еще более и переходила за пределы вечного снега...». Глубокой зимой 1876/77 гг. (26 декабря – 5 февраля) Пржевальский исследовал северный склон Алтынтага более чем, на 300 км к востоку от Чарклыка. Он установил, что «на всем этом пространстве Алтынтаг служит окраиной высокого плато к стороне более низкой Лобнорской пустыни». Из-за морозов и недостатка времени он не мог перевалить хребет, но правильно предположил: плато к югу от Алтынтага составляет, вероятно, самую северную часть Тибетского нагорья. Оказалось, что его граница находится не у 36, а у 39° с. ш. Иначе говоря, Пржевальский «передвинул» эту границу более чем на 300 км к северу. К югу от озера Лобнор (90° в. д.), по словам местных жителей, юго-западное продолжение Алтынтага тянется без всякого перерыва к Хотану (80° в. д.), а к востоку хребет уходит очень далеко, но где именно кончается – лобнорцы не знали.
Вторым выдающимся достижением этой экспедиции, уступавшей, по мнению самого Пржевальского, предыдущему путешествию по Монголии, было научное открытие бассейна Лобнора, «столь долго и упорно остававшегося в неведении». В феврале 1877 г. он достиг озера Лобнор. «Самому мне удалось исследовать только южный и западный берег Лобнора и пробраться в лодке по Тариму до половины длины всего озера; далее ехать было нельзя по мелководным и густым тростникам. Эти последние покрывают сплошь весь Лобнор, оставляя лишь на южном его берегу узкую (1–3 версты) полосу чистой воды. Кроме того, небольшие, чистые площадки расположены, как звезды, везде в тростниках... Вода везде светлая и пресная...»
Это описание Лобнора смутило географов-китаеведов, в частности Рихтгофена: по китайским источникам, Лобнор – соленое озеро, да и лежит севернее, чем показано на карте Пржевальского. Они предполагали, что вместо Лобнора он описал другое озеро – не бессточное, а проточное и потому пресное. «Так возникла проблема Лобнора, проблема, которая получила удовлетворительное решение только в наши дни... Пржевальский был совершенно прав, когда утверждал, что он открыл, описал и правильно определил координаты Лобнора, но и Рихтгофен был прав... Лобнор оказался кочующим водоемом, ибо он полностью зависит от положения рек, снабжающих его водой» (Э. Мурзаев).
К востоку от Лобнора Пржевальский открыл широкую полосу песков Кумтаг. Вернувшись в Кульджу, он прошел в поселок Зайсан юго-восточнее озера Зайсан, а оттуда – на юго-восток мимо песков Дзосотын-Элисун (Джунгария) к оазису Гучен (Цитай, 44 с. ш.) и тем же путем вернулся к Зайсану.