В 1865 г. в Забайкалье но поручению Географического общества работал горный инженер Иннокентий Алексеевич Лопатин. Почти за полгода (май — сентябрь) Лопатин вместе с топографом И.А. Кондратьевым пересекли регион в нескольких местах, изучили и нанесли на карту верхнее течение Витима со всеми его многочисленными притоками и выполнили ряд гипсометрических замеров. Их маршруты пролегли по труднодоступной местности, где никогда не ступала нога исследователя. Собранные материалы позволили Лопатину прийти к выводу, что изученная территория с вечномерзлыми грунтами представляет возвышенность, постепенно понижающуюся к Витиму. Южнее истоков Витима он обнаружил следы древних вулканов.

В 1862 г. 20-летний офицер князь (Рюрикович) Петр Александрович Кропоткин, окончивший Пажеский корпус, добровольно отказался от открывающейся перед ним «военно-паркетной карьеры» и отправился служить в Восточную Сибирь, в организованную в 1858 г. Амурскую область, чтобы удовлетворить свою страсть к путешествиям. Летом 1865 г. Кропоткин проследил до истоков р. Иркут, в долине которой впервые исследовал систему котловин — межгорных понижений общей длиной около 200 км, ныне объединенных под названием Тункинской котловины, и установил их прежнюю связь с Байкалом. Затем он перевалил на истоки р. Оки и спустился в низовье, обнаружив лишь небольшие водопады вместо предполагавшихся крупных и открыв признаки недавнего вулканизма — значительные потоки лавы и мелкие кратеры.

В 1866 г. Кропоткин возглавил крупную экспедицию, организованную Сибирским отделением Русского географического общества на средства золотопромышленников, для изыскания скотопрогонного тракта с Ленских приисков к Чите. Из Иркутска в мае он проехал на верхнюю Лену к Качугу (у 54° с. га.), а оттуда спустился по Лене. В 50 км ниже устья Витима он повернул на юг и оказался в совершенно неисследованной горной области. Кропоткин выявил ее рельеф и назвал нагорье Патомским — по р. Большой Патом, впадающей в Лену у 60º с.ш.

Экспедиция пересекла нагорье, средняя высота которого составляла 1200 м, до золотых приисков в верховьях р. Шуи (бассейн Олекмы, у 58º с.ш.) и организовала там вьючный транспорт. В районе приисков Кропоткин открыл ледниковые отложения, что дало ему возможность впервые доказать существование прежнего оледенения Сибири и обосновать гипотезу о наличии ледникового периода в жизни Земли. Между бассейнами рек Большого Патома и Жуй и среднего Витима он выявил скалистый хребет, состоящий из «безмолвных, диких однообразных мрачных скал», названный им Ленско-Витимским водоразделом (впоследствии он переименован в хребет Кропоткина, длина около 200 км). К югу от водораздела простиралась горная область, состоящая из двух параллельных хребтов, нареченных Кропоткиным Делюн-Уранским и Северо-Муйским (между 57º и 55°30' с.ш.). Перевалив их, экспедиция попала в бассейн Муи. «Роскошь этой долины поражала нас после сумрачных щек [ущелий] горной страны». Отсюда Кропоткин двинулся на юг через высокий хребет, обнаруженный Орловым, завершил его открытие и окрестил Южно Муйским. Затем он пересек в южном направлении высокое Витимское плоскогорье (название принадлежит Кропоткину) и перевалил Яблоновый хребет: Кропоткин «не заметил бы его, если бы куча хвороста, сложенная бурятами и обвешанная тряпками и гривою, «обо», не напомнила, что дорога пересекает здесь водораздел между водами Ледовитого и Восточного океана». По р. Чите в конце сентября он спустился до города Читы и установил, что вдоль левого берега р. Читы и правого берега Ингоды протягиваются горы, позднее названные хребтом Черского.

В результате работ экспедиции выяснилось, что все пересеченные хребты простираются на северо-восток. Собранные многочисленные географические и геологические факты Кропоткин дополнил огромным литературным материалом и использовал их в работе «Общий очерк орографии Восточной Сибири» (1875 г.). Он дал свою схему рельефа Северо Восточной Азии, представляющую «крупный шаг вперед по сравнению с концепцией А. Гумбольдта» (В. Обручев). Конечно, новая схема Кропоткина, основанная главным образом на изучении рельефа, а не на геологических данных, которых тогда было недостаточно, теперь сильно изменена, однако некоторые его предположения оказались правильными.