Do roku 1869 prowadził badania przyrodnicze w Kraju Ussuryjskim.
W 1870 wyruszył przez Mongolię do Pekinu, a stamtąd do północnego Tybetu. Ekspedycja zakończyła się w 1873. W latach 1876–1877 odbył drugą wyprawę badając jezioro Lob-nor jako drugi Europejczyk po Marco Polo. Odkrycie to zapoczątkowało długi spór między Przewalskim a innymi geografami, ponieważ odkrył je w innym miejscu niż wskazywały mapy chińskie. Dopiero późniejsze badania wykazały, że jezioro to zmienia swoje położenia w zależności od migracji rzek. W czasie tej wyprawy odkrył po drodze pasmo górskie Ałtyn-tag.
W 1879–1880 podjął wyprawę do Tybetu, ale napotkawszy zdecydowany opór władz tybetańskich wobec obcokrajowców udał się nad jezioro Kuku-nor i zbadał źródła Huang He. W tym czasie opisał po raz pierwszy w świecie dzikiego konia, nazwanego później koniem Przewalskiego.
W 1883–1885 zorganizował swoją ostatnią wyprawę przez Ułan Bator i Kuku-nor do źródeł Huang He.
W 1888 organizował kolejną wyprawę, jednak na samym początku, po przybyciu w rejon jeziora Issyk-kul i napiciu się nieprzegotowanej wody zapadł prawdopodobnie na tyfus brzuszny i umarł.