В русских газетах появилось сообщение о том, что при схватке отряда казаков с кокандцами был взят в плен коллежский асессор Северцов, начальник учёной экспедиции для исследования киргизских степей. В бою он получил двенадцать ран от сабель и пик. Только случай спас Северцова от смерти. Его увезли за 170 вёрст в пограничную крепость Яны-Курган.

Месяц провёл Николай Северцов в плену. Когда вернулся, то продолжал свои работы, не думая о том, чтобы сменить род занятия на более безопасный.

Кызылкум и Центральный Тянь-Шань

В 1864 году Киевский университет предложил Н.А. Северцову стать профессором по кафедре зоологии. Он согласился, но, узнав о предполагавшемся походе генерала М.Г. Черняева на Тянь-Шань, переменил своё решение. Северцов занял должность чиновника по особым поручениям при туркестанском генерал-губернаторе, лишь бы получить возможность побывать на Тянь-Шане.

Человек науки, по натуре чуждый всему военному, он часто невольно оказывался втянутым в рискованные военные операции. Вот и теперь, через семь лет после пленения кокандцами, когда Северцов, по выражению П.П. Семёнова-Тян-Шанского, «едва не сделался жертвой собственной любознательности», он опять оказался в гуще военных действий.

Сначала Северцов исследовал междуречье среднеазиатских рек Сырдарьи и Чу в примыкающем к Тянь-Шаню Зачуйском крае. Полгода провёл он там, составил геологическую карту, открыл ряд месторождений полезных ископаемых, в том числе каменного угля. Потом вернулся к песчаным берегам Аральского моря, приняв участие в экспедиции Русского географического общества в низовьях Амударьи. Цель — установить причины сокращения площади Аральского моря и провести геологическую съёмку на берегах Амударьи. Караван вышел из Перовска (теперь — город Казалинск).

Это был первый поход русской экспедиции через пустыню Кызылкум. Он пришёлся на невыносимо жаркое летнее время. «Безмолвие здесь казалось абсолютным, — писал Северцов, с удивлением обнаружив в песках следы былой жизни: развалины древних крепостей и арыков, — в таких глубоких песках, где теперь не только жить, но кочевать нельзя». Но, видимо, много веков назад в теперешней пустыне жило много людей. Они возделывали поля, строили города, разводили сады. Значит, здесь была вода. Она наполняла высохшие теперь русла рек, но по какой-то причине ушла, а вместе с ней ушла и жизнь. Но стоит вернуть воду — край вновь расцветёт! Северцову приходит мысль: если соединить Амударью и Сырдарью через высохшие русла, когда-то заполнявшиеся водой, то можно возродить не только земледелие в оазисах, но и судоходство. Можно провести и железную дорогу. Гипотеза Северцова об усыхании Аральского моря, вызванном изменением климата, и его проект обводнения пустыни впоследствии встретили поддержку в Географическом обществе со стороны П.А. Кропоткина и И.В. Мушкетова. Молодой учёный первый поведал Обществу о трагической судьбе Аральского моря, которая по-настоящему была осознана только в конце XX века.

Путешествуя в жаркой пустыне, Северцов не забывал о холодных ледниках. Прикомандировавшись к отряду генерала Черняева, он стремился проникнуть в Центральный Тянь-Шань, грандиознейшую горную страну, края которой коснулся П.П. Семёнов-Тян-Шанский. Идти с передовым военным отрядом — единственная возможность попасть на Тянь-Шань, и Северцов выполнял обязанности начальника штаба, делал топографическую съёмку, водил отряд на штурм крепости. Однажды он даже взял на себя роль парламентёра, третьего по счёту — двух первых казнил кашгарский властелин Якуб-хан.

14 сентября 1864 года с группой казаков Северцов вышел из укрепления Верный по направлению к горам Тянь-Шаня.