Завершив к июлю 1877 г. первый этап экспедиции, отряд вернулся в Кульджу. В августе экспедиция возобновилась и направилась через Джунгарию в Тибет. Удалось достигнуть Гучена. Путь был очень трудным: местность оказалась почти безводной, в октябре начались сильные морозы, участники экспедиции, включая самого Н. М. Пржевальского, заболели: их мучил страшный зуд, причиной возникновения которого, по-видимому, была соляная пыль, разъедавшая кожу. Было решено повернуть назад, в Зайсанский пост. Весной, недолечившись, Пржевальский снова отправился в путь, но ненадолго: болезнь дала о себе знать буквально через несколько дней, к тому же он получил запоздалое известие о смерти матери. Следует отметить, что в 1878 г. в Тибет экспедиция попасть все равно бы не смогла: в Восточном Тибете началась гражданская война, резко обострились российско-китайские отношения.

Н. М. Пржевальский считал свое Второе Центральноазиатское путешествие неудавшимся, однако именно после экспедиции на Лобнор он был награжден Берлинским географическим обществом Большой золотой медалью им. Гумбольдта, а Российская академия наук избрала его своим почетным членом.

Третье путешествие в Центральную Азию после краткосрочного лечения, отдыха и обработки коллекций Н. М. Пржевальский начал в Зайсане – там, где он оставил снаряжение и верблюдов после второй экспедиции. Его сопровождали прапорщик В. Роборовский, ставший впоследствии известным исследователем Азии, Ф. Эклон, который делил с Пржевальским все невзгоды второй экспедиции, вольнонаемный препаратор А. Коломейцев, а также солдаты и казаки. Экспедиция прошла через пустыни Джунгарии в оазис Хами, достигла гор Наньшань и нагорья Тибет. Свои первые впечатления путешественник описал так: «Мы вступили словно в иной мир, в котором прежде всего поражало обилие крупных зверей, мало или почти не страшившихся человека. Невдалеке от нашего стойбища паслись табуны куланов, лежали и в одиночку расхаживали дикие яки, в грациозной позе стояли самцы оронго, словно резиновые мячики, скакали маленькие антилопы – ады».