Первоначально исследования в Закаспийской области планировалось провести с сугубо практическими целями: определить водоносные горизонты местности, на которой строилась железная дорога, выяснить характер и подвижность барханов, песчаных гряд, установить степень опасности для железной дороги их передвижения и разработать меры по борьбе с подвижными песками. Но Обручев составил подробное геолого-географическое описание Закаспийского района; важной составной частью этой работы стало описание разнообразных форм песчаного рельефа. Среди них он выделил четыре основных типа: барханный, бугристый, грядовый и песчаная степь. Последняя форма описана им в Юго-Восточных Каракумах — там местность представляла равнину с песчаной почвой, которая вошла в географическую литературу под названием Обручевской степи.

В отчете молодого геолога были даны все необходимые предложения по обеспечению деятельности железной дороги (они касались и запасов пресной воды, и борьбы с надвигающимися песками). Все свои наблюдения и выводы он изложил в работах «Пески и степи Закаспийской области» и «Закаспийская низменность». За первую работу Русское географическое общество (РГО) наградило В. А. Обручева серебряной медалью, аза вторую — малой золотой медалью.

По рекомендации И. В. Мушкетова в 1888 году В. А. Обручев был назначен на должность геолога, только что учрежденную при Иркутском горном управлении.

Началась его многолетняя плодотворная деятельность по геологическому и географическому изучению различных районов Сибири.

В летние сезоны 1890–1891 годов увлеченный молодой специалист провел геологическое обследование Ленского золотоносного района — самого крупного в то время поставщика золота в России. По пути к дальним приискам ему пришлось пробираться через совсем неизученные места. Он вспоминал впоследствии:

«Я побывал также в верховьях реки Накатами и на гольцах к северу от них, на которые поднялся по долине одного из ключей, стекающих в эту реку. Эти гольцы принадлежат водоразделу, который тянется далеко с востока на запад и отделяет правые притоки реки Витима от притоков реки Вачи, бассейна реки Олёкмы. С высоты их, достигающей 1 600—1 700 метров над уровнем океана, открывается обширный вид: во все стороны до горизонта тянутся плосковолнистые гряды гор, покрытые сплошной тайгой, над которой местами поднимаются выше куполообразные вершины, уже безлесные, то есть гольцы. Этот водораздельный хребет, на который я поднялся, не имел ни на картах, ни у приискового населения отдельного названия; его именовали просто гольцы. Я назвал его хребет Кропоткина — в честь геолога и революционера, который первым в 1866 году пересек и описал его во время своей экспедиции с Ленских приисков в город Читу».

Наблюдения на Ленских приисках позволили В. А. Обручеву составить подробный отчет о геологии Олёкминско-Витимского приискового района. Отчет содержал много совершенно нового как о геологическом строении района, так и о происхождении золотоносных россыпей. Обручев не раз давал ценные рекомендации управляющим приисками, позволившие удешевить работы и расширить районы добычи.

Итоги двух летних сезонов были впечатляющими. Изучение геологии Ленского района позволило Обручеву составить общий геологический очерк этой местности и выяснить основные особенности местных золотоносных россыпей. Отчет давал и практические указания золотопромышленникам, где и как искать новые россыпи в Олекминско-Витимском приисковом районе.

Весной 1892 года В. А. Обручев неожиданно получил телеграмму от президента РГО с предложением принять участие в экспедиции известного путешественника Г. Н. Потанина по Китаю и восточной окраине Тибета. В сентябре он выехал из Кяхты на границе с Монголией и проследовал по караванной дороге через Ургу (теперь Улан-Батор) и Калган в Пекин, где встретился с Г. Н. Потаниным и остальными членами экспедиции.

Обручеву был предложен особый план самостоятельной работы, составленный профессором Мушкетовым. Ему пришлось путешествовать отдельно от основной группы — в сопровождении только проводника и переводчика, а иногда и без переводчика. В январе 1893 года он прошел по южной окраине Ордоса (обширный район в излучине Хуанхэ, страна барханных и бугристых песков), перевалил Алашанский хребет и восточную часть гор Нанынань и добрался до города Ланьчжоу, столицы провинции Ганьсу. Через горы Нанынань он перебирался еще трижды, уходил в глубь пустыни Гоби, поднимался к живописному горному озеру Кукунор, посетил плоскогорье Цайдам и город Синин, затем углубился в Центральную Монголию до южного подножия гор Гурбан-Сайхан, восточной группы Монгольского Алтая, повернул на юго-восток и вышел через горные цепи Центральной Монголии к реке Хуанхэ, после чего добрался до северной части провинции Сычуань. Там он узнал, что Потанин из-за смерти жены, которая была с ним в экспедиции, свернул работы и покинул Китай.

Обручев продолжил исследования. За два года он прошел пешком и проехал верхом на лошадях, мулах и верблюдах около 14 тысяч километров по горным дорогам, а также через пустыни и полупустыни Центральной Азии. Маршрутная съемка с ежедневным вычерчиванием карты велась на протяжении 10 тысяч километров. Регулярные записи с указанием направления движения и протяженности пути, с описанием местности позволили ему исправить и дополнить существовавшие тогда карты. Собранная им геологическая коллекция включала 7 тысяч образцов, в ней было 1 200 образцов с отпечатками ископаемых животных и растений. А сам отважный путешественник и большой ученый оценил свою работу скромно: «Мои исследования по необходимости стали маршрутными — это была, в общем, только геологическая рекогносцировка Центральной Азии».

Безусловно, это путешествие Владимира Афанасьевича Обручева оказалось исключительно значительным в части географических открытий и теоретических обобщений. Он нанес на карту обширные области Центральной Азии, открыл шесть неизвестных ранее обширных хребтов, выяснил рельеф пустыни Гоби и громадных горных хребтов Наныпаня и Восточного Тянь-Шаня. Именно наблюдения в Гоби и Северном Китае позволили В. А. Обручеву сформулировать существенные поправки в принятую в те времена гипотезу о происхождении лёсса — плодородного желтозёма, состоящего из песчинок с частицами глины и извести, которым покрыты огромные пространства Северного Китая (там лёсс покрывает толщей в 10–20, а местами даже в 100–200 метров склоны гор, плоскогорья и равнины). Он считал, что «лёсс представляет продукт выветривания… коренных пород, вынесенный в виде пыли центробежными ветрами из Центральной Азии на ее окраины и отложенный под защитой растительности сухих степей. Мощный лёсс Северного Китая не отлагался тут же ветрами и дождями при выветривании местных пород, а вынесен из Центральной Азии и продолжает еще отлагаться, несмотря на его расчленение эрозией».

Важнейшее значение имели его находки в Монголии остатков древних млекопитающих (в частности, зуба древнего носорога, жившего десятки миллионов лет назад) — это доказывало то, что в этом районе не было древнего моря, как предполагали ученые. Он собрал ценный этнографический материал, связанный с трудом и бытом местного населения.

Работы по изучению Центральной Азии и Северного Китая не остались без внимания. За них РГО наградило В. А. Обручева премией Пржевальского и Константиновской (большой золотой) медалью.