В 1874 г. геолог и географ Иван Васильевич Мушкетов выполнил рекогносцировку западных предгорий Тянь-Шаня. В 1875 г. он поднялся по долине Таласа к верховьям, перевалил Таласский Алатау, по долинам рек системы Нарына вышел к озеру Сонкель и исследовал его. Оттуда горными тропами через верховья Чу он прошел к Боамскому ущелью, а оттуда — к Иссык-Кулю, обследовал его кольцевыми маршрутами, сделал несколько пересечений хребтов Кюнгей- и Терскей-Ала-Тоо, а также Заилий-ского Алатау. Осенью того же года Мушкетов прошел на северо-восток, в долину р. Или, а по ней — в Кульджу. Затем он дважды пересек хребет Борохоро (северная окраина Тянь-Шаня) у 44-й параллели, исследовал высокогорное озеро Сайрам-Hyp, Джунгарский Алатау и по долине р. Боротала спустился к озеру Эби-Нур, совершив, таким образом, пересечение Западного и Центрального Тянь-Шаня. В своем «Кратком отчете о геологическом путешествии по Туркестану в 1875 г.» он первый привел геологические основания орографической схемы Тянь-Шаня.

Летом 1877 г. Мушкетов из Оша двинулся на юг и после пересечения Алайского и Заалайского хребтов достиг озера Каракуль. Вернувшись в Ош, он прошел на северо-восток, к Ферганскому хребту, а оттуда — на запад, к Чаткальскому хребту, и достиг Ташкента) Он завершил, таким образом, с юга исследование Тянь-Шаня и оконтурил Ферганскую долину. Полученные материалы позволили Мушкетову впервые подойти к выявлению геологического строения северной окраины Памира и определить направление его хребтов (в работе «Геологическое путешествие на Алай и Памир в 1877 г.»).

В 1878 г. Мушкетов изучал восточную часть Ферганской долины и стык хребтов Ферганского и Алайского (между 40 и 41° с.ш.), причем проник к высокогорному (3530 м) озеру Чатыр-Кёль, связав свои работы с английскими. Летом следующего года он проехал из Самарканда на юго-запад, исследуя западные отроги Алайского хребта, до города Карши. Повернув на юго-восток, он прошел через ущелье Железные Ворота до Сурхандарьи и спустился по ее долине до устья. На лодке, изучая речные берега и делая боковые маршруты в пустыню, Мушкетов сплыл по Амударье до Турткуля, оттуда двинулся на север и пересек западную часть пустыни Кызылкум, выйдя к нижней Сырдарье у Казалинска.

В августе 1880 г. Мушкетов с большим караваном вышел из Ура-Тюбе на юг, перевалил Туркестанский хребет и по долине р. Зеравшана поднялся к леднику — истоку реки. Пройдя оттуда на северо-восточный склон Туркестанского хребта, он несколько западнее вторично пересек его и, спустившись к Зеравшану, проследил реку до низовьев.

За шесть лет Мушкетов охватил исследованиями большую часть Тянь-Шаня, Северный Памир, Алайскую систему и западную часть пустыни Кызылкум. Благодаря его работам карта Средней Азии была значительно исправлена и дополнена. В своем двухтомном труде «Туркестан» (1886–1906 гг.) Мушкетов целиком видоизменил имевшиеся до него представления о расположении горных хребтов Средней Азии. Он показал, «что Тянь-Шань и Памиро-Алай состоят из ряда плоских дуг широтного простирания, выпуклых на юг» (В.А. Обручев). Это была первая правильная схема орографического строения Тянь-Шаня, сохранившая научное значение до настоящего времени. Мушкетов привел убедительные факты, подтверждающие главенствующую роль новейших тектонических движений в создании современного облика региона, и доказал, что в горных поднятиях края отсутствуют явления молодого вулканизма.