В своём предисловии к книге Н. А. Северцова "Путешествия по Туркестанскому краю..." известный географ П. П. Семёнов-Тян-Шанский писал, что Н. А. Северцов был "...одним из пионеров географической науки в странах неведомых и в течение стольких веков не поддававшихся научным исследованиям".
Столь лестные отзывы крупного учёного Николай Северцов заслужил благодаря своей неутолимой жажде исследовать Тянь-Шань вслед за первопроходцами и самостоятельно дополнять сведения о нём.
К середине XIX века Тянь-Шань был малоизучен. Первым европейским ученым-исследователем, проникшим в Центральный Тянь-Шань, был Петр Петрович Семёнов, за свой научный подвиг получивший право именоваться Тян-Шанским.
Экспедиции Николая Северцова часто были связаны с огромными трудностями и даже риском. Так, весной 1858 года, исследуя Казахстан, учёный на 31 день попал в кокандский плен. С израненным саблями лицом, без надежды на спасение, он продолжал свои исследования даже в таких страшных условиях.
После его освобождения родные и друзья требовали, чтобы он отказался от рискованных путешествий и занялся "мирным трудом", например, педагогической деятельностью. Николай Алексеевич на некоторое время поддался этим уговорам и стал доцентом на кафедре общей зоологии в Киевском университете. На этом месте он мог обрабатывать результаты предыдущих исследований и рассчитывать на стремительный карьерный рост. Но врождённая страсть к путешествиям победила – Северцов захотел сопровождать военный поход генерала Черняева в Зачуйский край.
С этим путешествием для него открывалась возможность проникнуть в глубины горной системы Тянь-Шаня. Сам он без малейшего раскаяния вспоминает об этом спустя почти десять лет: "Для Тянь-Шаня кафедра была брошена, а свод наблюдений отложен; представлялась возможность самого нужного к ним дополнения".
При поддержке Русского Географического общества Николай Северцов получил положительный ответ от военного министерства и присоединился к отряду, чтобы продолжить исследования П. П. Семёнова в Тянь-Шане. Помимо Северцова, в этой экспедиции принял участие горный инженер Фрезе.
К походу Черняева Северцов присоединился в мае, после чего всё лето 1864 года изучал Тянь-Шаньскую горную систему. Сведения об образовании и направлении горных хребтов Тянь-Шаня, наряду с данными П. П. Семенова, кардинально изменили представления мировых авторитетов того времени (например, Гумбольдта и Риттера). Окончательно было отвергнуто предположение о вулканическом происхождении Тянь-Шаня и о существовании гипотетического меридионального хребта Болор.
Северцов уделил много внимания изучению древнего оледенения Тянь-Шаня, его полезным ископаемым, комплексной характеристике высотной зональности природы. Последнему вопросу Северцов посвятил классическую работу "Вертикальное и горизонтальное распределение туркестанских животных".
Н. А. Северцов – основоположник русской зоогеографии и один из основателей экологии, который за исследования Средней Азии и Памира причислен также к плеяде крупнейших географов, геологов и топографов России второй половины XIX века. Именем Северцова назван пик на Памиро-Алтае, ледник на Памире и ледник в Заилийском Ала-тау. Также его именем назван ряд животных: тушканчик, рябчик, тёмная мышовка Северцова.
В 1874 году Северцов совершил ещё один научный подвиг, исследуя пустыню Кызылкумы, которой просто не было на географической карте. Он прошёл ее нехожеными тропами при летнем зное в 1874 г. в качестве начальника естественноисторического отдела Аму-Дарыинской экспедиции, снаряженной Русским географическим обществом.
Позже Северцов стал первым из европейцев, достигшим центральной части Памира, дал первые точные сведения об орографии и геологии Памира и первые данные о его растительном мире. Фергано-Памирской экспедицией он, по справедливому выражению П. П. Семенова-Тян-Шанского, "превзошел самого себя".