3 декабря путешественники тронулись в обратный путь через Тибет. Совершен он был быстрее, так как с экспедицией шел хорошо знающий дорогу проводник Дадай. Но путь не был легким. Наступила глубокая зима, с морозами, метелями. К счастью, удалось выменять и купить десять местных, очень выносливых лошадей. Верблюдов же из 34 осталось 26, причем половина из них были слабы, ненадежны.
Новый 1880 год встречали уже на северном склоне хребта Думбуре. 31 января, через четыре с половиной месяца после выхода в Тибет, экспедиция вернулась в Дзун-Засак. Было пройдено около 2 тыс. км. О трудностях путешествия говорит уже то, что из 34 верблюдов вернулись лишь 13. Сами путешественники чувствовали себя крайне утомленными.
Н. М. Пржевальский считал, что возвращением из Внутреннего Тибета закончился второй период путешествия. В третий период намечалось исследовать район верховьев реки Хуанхэ — северо-восточную часть Тибета.
Пробыв всего два дня в Дзун-Засаке, экспедиция двинулась на восток. Перевалив через Кукунорский хребет и обследовав южный берег озера Кукунор, путешественники остановились возле китайского пикета Шала-Хото (в 70 км от города Синин). Отсюда Пржевальский в сопровождении Роборовского, переводчика и трех казаков поехал к сининскому амбаню (губернатору) за разрешением исследовать верховья Хуанхэ. Разрешение удалось получить с большим трудом и только после того, как Пржевальский написал расписку, что предпринимает поездку на свой риск и никаких претензий китайским властям предъявлять не будет.
Закупив в Синине 14 мулов для перевозки вьюков и отправив в Алашань с казаком Гармаевым собранные ранее коллекции, Пржевальский со спутниками 17 марта покинул стоянку у Шала-Хото и направился к Хуанхэ, до которой было всего около 60 км.
Перевалив снова через Кукунорский хребет и поднявшись на горы Балекун, путешественники увидели желанную Хуанхэ. Местность по верхнему течению реки была гораздо более населенной, чем Внутренний Тибет. Однако обследовать ее было нелегко. Здесь высокие (до 5 тыс. м), труднодоступные горы, преимущественно широтного простирания, чередовались со степными плато, изрезанными глубокими ущельями (в 300 — 500 м глубины) с обрывистыми склонами. Так, подойдя по степной равнине к ущелью Чурмыа, путешественники вдруг увидели под ногами страшную пропасть, «на дне которой был иной мир и растительный, и животный. Здесь, вверху, безводная, покрытая лишь мелкой травой степь, со степными зверями и птицами; там, внизу, — шумящая река, зеленеющий лес, лесные птицы и звери… Такой контраст — больший, чем на тысячеверстном пространстве в пустыне и вообще в странах равнинных, — теперь встречался всего на расстоянии двух-трех верст спуска и около полутора тысяч футов (450 м) вертикального поднятия!»