Летом 1870 г. военный отряд под командой П.А. Аминова, выйдя из Самарканда, проник к истокам р. Зеравшан, где обнаружил большой ледник. Топограф Август Иванович Скасси нанес на карту все верхнее течение этой значительной реки (длина ее 877 км) и точные контуры двух широтных хребтов, «сжимающих» Зеравшан, — северного, Туркестанского (около 340 км) и южного, Зеравшанского (около 370 км). От устья Фандарьи, где к группе присоединился молодой натуралист Алексей Павлович Федченко, все проследовали на юг к маленькому красивому озеру Искандеркуль, на склоне Гиссарского хребта. Оттуда исследователи передвинулись на восток на р. Ягноб (одна из составляющих Фандарьи), текущую параллельно Зеравшану. Скасси и горный инженер Дмитрий Константинович Мышенков осмотрели Гиссарский хребет с перевала Анзоб (3372 м) и выяснили, что он также простирается в широтном направлении и выше Туркестанского и Зеравшанского хребтов. Из-за болезни Аминова исследование Гиссара пришлось прекратить и вернуться в Самарканд. Мышенков проехал оттуда на северо-восток и осмотрел полупустынный хребет Мальгузар (около 60 км) — невысокий (до 2621 м) северо-западный отрог Туркестанского хребта. Летом 1871 г. А.П. Федченко, выйдя из Коканда, проследил долину р. Исфары до верховьев и открыл там, в восточной части Туркестанского хребта, большой ледник, названный в честь исследователя Алтая Григория Ефимовича Щуровского, и ряд пиков высотой до 5621 м. Пройдя межгорными ущельями к северным склонам Алайского хребта, Федченко исследовал их, затем проехал на юго-восток Ферганской долины, к р. Исфайрамсай, поднялся по ней до истоков и перевалил Алайский хребет. Вид с перевала у 72° в.д. заставил его остановиться: на юге перед ним открылась панорама исполинских снеговых вершин. Это был огромный широтный хребет (длиной 240 км), который Федченко назвал Заалайским. Он довольно верно оценил среднюю высоту хребта и отметки нескольких вершин. (Но высшая точка его — пик Ленина, 7134 м, точно установлена только советской Памирской высокогорной экспедицией в 1928 г.) Федченко правильно решил, что Заалайский хребет составляет северную часть Памирского нагорья, строение которого он в общих чертах охарактеризовал как «сумму высоких плоскогорий». Спустившись затем в Алайскую долину, он дал ее подробное описание, определив как высоко приподнятое плоскогорье. Федченко обследовал протекающую по Алайской долине р. Кызылсу и низовье Муксу (обе реки составляют Сурхоб) и указал, что многоводность Муксу следует объяснить существованием к югу от Заалайского более высоких хребтов. Он повернул на северо-восток, вновь перевалил Алайский хребет, проследил у 40-й параллели короткий хребет Кичик-Алай и долиной р. Акбуры спустился к городу Ош. Главным результатом путешествия, как отмечал он сам, было выяснение орографии территории к югу от Ферганы. Федченко обнаружил здесь ряд широтных цепей, «последовательно все более и более высоких в направлении к югу… и разделенных более или менее длинными и обширными долинами». Маршрут вдоль северных склонов Алая позволил ему сделать вывод о принадлежности гор бассейна Зеравшана к Тянь-Шаню (ныне их относят к Гиссаро-Алайской системе). Из Оша Федченко со съемкой прошел через Андижан, Наманган и Чует, оконтурив эллиптическую Ферганскую котловину (22 тыс. км²), и закончил путешествие в Ташкенте. Он собрал богатую зоологическую, главным образом энтомологическую, коллекцию и установил общность форм животного и растительного мира Памиро-Алая, нагорной Центральной Азии и Гималаев.

Изучение собственно Памира началось с юга. Прибывший в конце 1837 г. в афганский город Кундуз (у 69° в.д.) индобританский разведчик Джон Вуд направился вверх по р. Кокча (система Аму-Дарьи), ее притоку Вардудж в общем на восток. Близ 72° в.д. он переправился через р. Пяндж и по р. Памир, правой ее составляющей, 19 февраля 1838 г. вышел к высокогорному озеру Зоркуль. Тем же путем Вуд вернулся в Кундуз, открыв большую часть Ваханского хребта и северный исток Амударьи.

Работу Вуда продолжил Мирза Шаджа, один из так называемых пандитов («ученых») — секретных разведчиков, специально обученных англичанами. Маршрутом Вуда в конце 1868 г. он проник к самому южному колену Пянджа и выше по течению достиг р. Вахандарьи, левой составляющей реки. По ее глубокой долине, страдая от холода и ежедневных снегопадов, Мирза Шаджа поднялся в верховья, завершив открытие Ваханского хребта и истоков Амударьи. Там он обнаружил высокогорное озеро Чакмактинкуль. В январе 1869 г. он проследил часть северного склона Гиндукуша. перевалив в бассейн р. Яркенд, и в начале февраля прибыл в Кашгар. Съемка, которую ему на протяжении более 3,5 тыс. км пришлось вести тайно, дабы не навлечь на себя смертельную опасность, позволила составить первую, конечно весьма схематичную, карту Северного Афганистана и Южного Памира.

В 1873 г. из Индии через Кашмир в Кашгарию отправилась большая британская военно-политическая экспедиция Томаса Дугласа Форсайта. Одним из заданий была съемка Памира, который англичане рассматривали как очень важный участок «Северо-западного театра войны» против России, «угрожавшей» Британской Индии. В состав экспедиции вошли молодой чешский геолог Фердинанд Столичка и четыре пандита, в том числе Абдул Сабхан; руководил ими офицер-топограф Генри Троттер. Из Янгигисара (у 76° в.д.) его отряд направился на юго-запад и в конце марта вышел к р. Ташкур-ган. Троттер и пандиты засняли ряд снежных пиков в массиве Музтагата, включая самый высокий (7546 м), несколько завысив его «рост». Затем они поднялись на перевал в открытом ими водораздельном хребте (Сарыкольском), имеющем здесь меридиальное направление. Перед ними открылась долина р. Оксу (верховья Бартанга-Мургаба). По глубокому снегу в начале апреля съемщики прошли к этой реке и описали высокую гряду снежных пиков — южную границу Памира, водораздел верхней Оксу и р. Ташкургана. В «сопровождении» сильного ветра они прибыли к озеру Чакмактинкуль, истоку Оксу, а затем направились еще дальше на запад и у слияния рек Вахандарьи и Памира разделились. Абдул Сабхан проследил течение Пянджа на 300 км до впадения р. Язгулема и выяснил, что на меридиональном отрезке Пяндж быстро течет в узком ущелье, слева принимает лишь два притока, справа — много мелких и ряд крупных, включая чистый Гунт и грязно-красный Бартанг.

После присоединения Абдул Сабхана к основному отряду все возвратились к Сарыкольскому хребту и вернулись в Янгигисар, сделав, по мнению Д. Бейкера, первый серьезный вклад англичан в научное изучение Памира. Книга одного из участников экспедиции. Форсайта, лейтенанта Томаса Гордона «Путешествие на Памир» вскоре была переведена на русский язык (Спб., 1877).

В 1875 г. профессор горного института И.П. Барбот де Марни с небольшим отрядом перешел на шхуне через Аральское море к устью Амударьи, поднялся по ней примерно на 200 км, исследовал и нанес на карту правобережную горную цепь Султан-Увайс (длина 60 км, высота до 473 м). Затем он проник в центральную часть пустыни Кызылкум и описал плосковершинный горный массив Букантау (до 764 м), а на юго-востоке впервые закартировал горы Тамдытау, имевшие чрезвычайно резкие формы (до 922 м). Дальше к юго-востоку на пути к Самарканду он обнаружил две параллельные цепи северо-западного простирания — Нуратау (до 2165 м) и Актау (до 2003 м), западные отроги горной системы Гиссаро-Алая.

Горная Бухара до последней четверти XIX в. представляла для географов полную загадку. Выяснить, что кроется за южными склонами Гиссарского хребта, — такую задачу поставил перед собой ташкентский военный журналист Николай Александрович Маев. В апреле — июне 1875 г. он вместе с топографом Дмитрием Михайловичем Вишневским обследовал и впервые нанес на карту широкую полосу правобережья Пянджа-Амударьи от Железных Ворот на западе до р. Яхсу на востоке, т. е. приблизительно между 66°40' и 70° в.д. Вместо обширных равнин со степным характером, как предполагали ранее, на правобережье Маев обнаружил несколько параллельных, вытянутых в юго-юго-западном направлении широких речных долин, разделенных небольшими хребтами Кугитангтау, Бабатаг, Каратау, Вахшским и самым высоким Хазратишох. Он предположил, что все эти цепи связаны с Гиссарским хребтом, являясь его юго-западными отрогами, значительно понижающимися. Впрочем, некоторые из них, как он установил, отделены от Гиссарского хребта широтной впадиной.

Летом 1874 г. Н.А. Северцов снова исследовал дельту Амударьи и Аральское море. Когда же в 1878 г. Географическое общество организовало комплексную Фергано-Памирскую экспедицию, Северцов принял в ней участие. В июле он с отрядом, куда вошел и топограф А.И. Скасси, выступил из Оша на Памир, пересек Алайский и Заалайский хребты и достиг высокогорного бессточного озера Каракуль (3914 м). Продолжая движение на юг, отряд прошел через перевал Акбайтал (4655 м) в бассейн Мургаба (система Пянджа), а затем через перевал Найзаташ (4137 м) по совершенно неизвестной местности — на запад по долине р. Аличур до проточного озера Яшилькуль и описал его. На правом берегу р. Гунт, вытекающей из озера, Северцов открыл колоссальный снеговой Рушанский хребет (длина 120 км), правильно определил его окончание у впадения Гунта в Пяндж и обнаружил главную вершину хребта (пик Патхур, 6083 м). Восточнее Яшилькуля он открыл группу бессточных мелких озер. Нехватка провианта и особенно соли, утонувшей при переправе в начале пути, заставила отряд вернуться в Ош.

Северцов первый выделил Памир в особую горную систему — «орографический центр всего Азиатского материка… колоссальный горный узел, соединяющий Высокую Азию с Передней», т. е. Центральную Азию с Западной. Он первый дал научную разностороннюю характеристику Памира, установив, что там совсем нет настоящих плоскогорий и что главная особенность этой горной страны — сочетание сыртового и грядового рельефа. Он впервые описал типичные для Памира и всей Средней Азии многовершинные горные массивы, играющие, как он доказал, основную роль в образовании ледников. Богатые зоологические и ботанические коллекции дали возможность Северцову подробно изучить малоизвестную фауну и флору Памира.

В июле 1878 г. из Самарканда на юг до Шахрисябза (у 39° с.ш.), а затем на восток в Горную Бухару для исследования бассейна Пянджа вышла небольшая экспедиция под начальством энтомолога Василия Федоровича Ошанина, положившего начало систематическому изучению насекомых Туркестана. В ее состав вошел топограф Гавриил Егорович Родионов. Следуя по горным дорогам вдоль южных склонов Гиссарского хребта, они достигли р. Сурхоб (верхний Вахш) и по ее долине поднялись до устья р. Муксу (левый приток Сурхоба). Во время этого подъема на протяжении около 200 км Ошанин все время видел на юге, на левом берегу реки, широтный горный хребет, встающий «высокой стеной, почти незамаскированной предгорьями», и назвал его хребтом Петра Первого. Чем дальше к востоку, тем выше становился этот хребет: высота его в восточной части достигает 6785 м (пик Москва). К югу от р. Муксу экспедиция в сентябре открыла примыкающую к хребту большую группу ледников и нижнюю часть величественного ледника Федченко, крупнейшего по длине (77 км) в СССР. Из-за гибели нескольких вьючных лошадей экспедиция вернулась через Алайскую долину на дорогу в Ош и окончила путь в Фергане.

По материалам экспедиции Ошанину и Родионову удалось установить наличие еще двух хребтов: Дарвазского длиной около 200 км с вершиной 6083 м к югу от хребта Петра Первого и Каратегинского, более короткого (80 км) и сравнительно невысокого (до 3950 м).