В 1883 г. была организована третья экспедиция Потанина с участием А.В. Потаниной и А.И. Скасси. Они перешли морем вокруг Европы через Суэцкий канал в порт Чифу (Яньтай, Северо-Восточный Китай) и далее сушей — в Пекин для окончательной экипировки. Летом 1884 г. из Пекина они направились на запад в город Гуйсуй (Хух-Хото), пересекли плато Ордос и прибыли в Ланьчжоу (на Хуанхэ) на зимовку. Весной 1885 г. путешественники перебрались в Синин (у 102° в.д.), двинулись на юг и через горную безлесную область верхнего течения р. Хуанхэ, юго-восточные отроги Куньлуня и восточные склоны Сино-Тибетских гор достигли верховьев р. Миньцзяна (северный большой приток Янцзы). Проследовав оттуда на восток около 150 км, они повернули на север и через горные цепи системы Циньлин вернулись в Ланьчжоу, где снова зимовали. В результате этого двойного пересечения «Тангутско-Тибетской окраины» Китая Потанин подразделил ее на две части: северная (между 36 и 34° с.ш.) представляет собой нагорье высотой более 3000 м с редкими хребтами и неглубоко врезанными речными долинами; южная (между 34—32° с.ш.) характеризуется сложным горным рельефом с глубокими речными долинами.

В апреле 1886 г. экспедиция прошла на запад к озеру Куку-нор, повернула оттуда на север и, перевалив несколько безымянных хребтов, добралась к истокам р. Жошуй, точно ею установленным. При этом Потанин и Скасси обнаружили первую цепь системы Нанынаня, строение которой оказалось более сложным, чем показывал Пржевальский. Проследив все течение Жошуя до низовьев (около 900 км), они вышли к бессточному озеру Гашун-Нур и точно нанесли его на карту. Двигаясь далее на север через Гоби, экспедиция при пересечении Гобийского Алтая выявила четыре его южных невысоких отрога широтного направления (в том числе Тост-Ула), исправив карту Певцова. Потанин так охарактеризовал пересеченную им полосу Гоби: южную часть — как плоскую возвышенность с низкими хребтами; центральную — как пустынную впадину не более 900 м; северную — как невысокую горную страну, продолжение Монгольского Алтая. От озера Орог-Нур экспедиция прошла на север по долине р. Туйн-Гол до ее верховьев, перевалила хребет Хангай и, повернув на северо-восток, через бассейн р. Орхона вышла к Кяхте в начале ноября 1886 г. При этом был положен на карту водораздел Селенги и Орхона — хребет Бурэн-Нуру — и ряд небольших отрогов Хангая.

Экспедиция Потанина пересекла Центральную Азию приблизительно по 101-му меридиану, причем горные цепи были пройдены поперек их основного направления, из-за чего не удалось установить длину и простирание отдельных хребтов. Результаты экспедиции описаны в работе «Тангутско-Тибетская окраина Китая и Центральная Монголия» (1893, 1950 гг.).