В четвертую экспедицию Потанина в качестве геолога был зачислен Владимир Афанасьевич Обручев, получивший самостоятельное задание. Выйдя из Кяхты в конце сентября 1892 г., он через Монголию добрался до Пекина, где подготовился к дальнейшему путешествию. В 1893 г., обойдя с юга плато Ордос и следуя вдоль Великой Китайской стены, он перешел к городу Сучжоу (ныне Цзюцюань на нижнем течении левого притока Жошуй). Оттуда он начал исследование горной страны Наньшань и открыл или завершил открытие ряда ранее невыявленных или совершенно неверно нанесенных на карту хребтов с вершинами более 5 тыс. м. Крупнейший из них, хребет Рихтгофена (Цилянынань, высотой до 5934 м), простирается более чем на 500 км на северо-восточной окраине Наньшаня; к юго-западу — параллельный ему Таолайшань; на юге, близ 38° с.ш., — хребет Зюсса (Сулэнаньшань), где находятся истоки р. Сулэхэ; ниже по течению вдоль ее правого берега — Таолайнаньшань, а на левом берегу — Емашань и Дасюэшань (с вершиной 6209 м). Обручев завершил также открытие и дал названия хребту Мушкетова, отделяющему с юга равнину Сыртым от Цайдама, а к юго-востоку от Цайдама — хребту Семенова, пересекаемому 36-й параллелью. Между ними он обнаружил вечноснеговой Курлык-Дабан (длина 250 км) и более короткий и низкий Сарлык-Ула. И он исследовал, отнес к системе Наньшаня и объединил общим названием Луншоушань невысокие, почти широтные горы (вершина 3658 м), протягивающиеся вдоль юго-западной окраины пустыни Алашань.

Обогнув с юга озеро Кукунор и возвратившись в Сучжоу, Обручев в конце 1893 г. двинулся вниз по долине р. Жошуй. Обойдя с севера пустыню Алашань, он вышел к северной луке Хуанхэ, к городу Нинся (Иньчуань). В 1894 г., перевалив хребет Циньлин, он проник в Сычуаньскую впадину, повернул к северо-западу, снова вернулся к Сучжоу и через Бэйшань дошел до оазиса Хами. Хотя его путь по Бэйшаню совпал с маршрутом Г. Грумм-Гржимайло, Обручев уточнил положение северной и южной границ этой горной страны. Он выяснил, что Бэйшань не связан ни с Наньшанем, ни с Тянь-Шанем. Из Хами он достиг Кульджи, следуя через Турфан и по южной полосе Джунгарии.

Обручев установил, что Центральная Азия — очень древняя горная страна, давно не покрывавшаяся морем и выровненная процессами выветривания и сноса. Он дал более правильное представление о рельефе и геологическом строении этого региона. Основываясь на собранных материалах, он разработал гипотезу об эоловом происхождении лёсса. Свое путешествие В. Обручев описал в книгах «От Кяхты до Кульджи» (2-е изд., 1950 г.) и «Центральная Азия, Северный Китай и Наньшань» (два тома. 1900–1901 гг.).

Джунгария — «великие ворота» Азиатского материка — была столбовой дорогой для ряда прославленных экспедиций второй половины XIX в., стремившихся в неразгаданные дали Центральной Азии, но часть самой Джунгарии оставалась, но существу, «белым пятном» до начала XX в., пока В. Обручев не вступил в эту область. В летние месяцы 1905, 1906 и 1909 гг. он впервые изучил или подробно исследовал две почти параллельные пары хребтов Западной Джунгарии, простирающихся в северо-восточном направлении, — Майлитау и Джаир, Бирлыктау и Уркашар, два параллельных широтных хребта — Саур и Семистай, к которому с запада подходит Уркашар, а также долины и впадины между этими цепями, мел-косопочник к югу от Семистая и восточный участок Тарбагатая. Оказалось, что эти возвышенности — не горные хребты, «а простые и сложные плато… одиночные или соединенные в комплексы в виде ступеней различной высоты, образующих в совокупности одно целое». Они имеют облик широких ровных гребней необычной клинообразной формы, располагающихся ниже окружающих их горных систем.