Путь к Пенджикенту был открыт. В Пенджикенте Федченко задержался на два дня, пытаясь пробраться в горы, в места, где растет сумбул. Но сделать это ему не удалось: столкновение с кштутцами взволновало всех жителей соседнего магианского бекства. Лишь позднее, уже в Самарканде, Федченко получил от пенджикентского муллы Карима 50 корней сумбула. Поход к истокам Зеравшана позволил Федченко обогатить свои коллекции многими новыми образцами. Так, среди собранных насекомых более 500 видов никогда прежде не встречались ученым. Новыми оказались для него и 3/4 ботанических сборов (всего было собрано 400 видов растений).30 июня 1870 года супруги Федченко возвратились в Самарканд и занялись приведением в порядок собранных в походе материалов. В конце апреля 1871 года Федченко отправился в Кызылкум. Перебравшись на левый берег Сырдарьи, он прежде всего убедился, что песчаная пустыня отделена от сырдарьинской пойменной долины довольно широкой полосой степи. Существование степи на левом берегу Сырдарьи явилось для него неожиданностью. Это было настоящим географическим открытием. Голодная степь, самаркандская котловина, верхняя часть Зеравшанской долины, горы Кухистана и, наконец, пустыня Кызылкум районы, охваченные исследованиями Федченко. Но сильнее всего Федченко-географа влекли горы на юго-востоке обширной страны, которые все еще оставались не посещенными европейцами. На картах изображались горные хребты, в существовании которых уже возникали сомнения. 20 мая 1871 года Федченко возвратился в Ташкент из месячной поездки по Кызылкуму, а 1 июня уже снова был в пути, направляясь в Кокандское ханство, в страну Алай, и втайне мечтая попасть также на Памирскую высь . Десять дней в Ташкенте пролетели незаметно. Написав очерк о поездке в Кызылкум, Федченко готовился к новому путешествию. Сборы оказались нелегкими. Маршрут был составлен на основании докладной записки Федченко (от 12 апреля 1871 года), в которой он излагал свой приблизительный маршрут . О том, как проходило это интереснейшее путешествие, Федченко рассказал в книге Путешествие в Туркестан , в главе В Кокандском ханстве , опубликованной в 1875 году. Первым крупным городом на пути ученого был Ходжент. Условия, в которых Федченко и его спутники путешествовали по Кокандскому ханству, сильно отличались от тех, в которых ученый проводил свои исследования в бассейне Зеравшана. Если по Зеравшанскому округу Федченко двигался либо с военно-экспедиционным отрядом, либо с большим эскортом, то на этот раз русские путешественники являлись гостями Худояр-хана и их сопровождало лишь небольшое число вооруженных кокандцев. Сами же исследователи имели при себе только два охотничьих ружья с зарядами дроби для птиц, у препаратора и стрелка два револьвера .
При таком запасе оружия, вспоминал Федченко, в случае самого пустого нападения мы не могли бы ничего сделать . Маршруты их экскурсий всецело зависели от благоволения кокандских властей. При личном свидании с ханом в Коканде Худояру было прочитано письмо Кауфмана. Худояр кивнул головой, бросил одно лишь слово яхши! и приказал облечь ученого гостя в жалованный шелковый халат. Как ни курьезно казалось мне проезжать верхом, в разноцветном халате поверх фрака и с белой дорожной шляпой на голове, вспоминал позднее Федченко, но я выдержал характер до конца и ни разу не рассмеялся во весь длинный путь через кокандский базар . Ученый понимал, что необходимо наглядно продемонстрировать перед местным населением расположение хана к русским путешественникам. А что может быть нагляднее расписанного золотом халата? Спустя три дня после приема Федченко последовало открытое предписание Худояра ханским чиновникам об оказании содействия экспедиции. К горам Памира, которые так неодолимо влекли Федченко, удобнее всего было пройти восточнее Коканда. Федченко это знал. Однако сначала он отправился к Исфаре. Так было указано в его маршруте. Ученый не решился изменить список мест , подлежащих посещению, во избежание конфликта с ханской администрацией. Итак, Федченко двинулся в бассейн Исфары. Впрочем, об этом путешественник не пожалел: в истоках Исфары ему удалось сделать крупное географическое открытие. 23 июня он ступил на ледник, который в дальнейшем тщательно обследовал и план которого составил совместно с женой. Помимо этого, Ольга Федченко сделала превосходный рисунок ледника. Федченко дал леднику имя своего учителя Щуровского. Спустившись с ледника к селение Ворух, путешественники двинулись на восток, направляясь кратчайшим путем через Кара-булак в бассейн Соха. В Сохе Федченко получил от местных жителей ряд интересных сведений о притоках Соха и о путях в Каратегин. Однако караул-беги (начальник) кокандского конвоя, сопровождавшего путешественников, наотрез отказался идти вверх по Соху к возможным ледникам и перевалам, ссылаясь на возможность нападения каратегинских повстанцев и трудности горных дорог. Поэтому путешественники двинулись от Соха к востоку по Хайдерканской лощине и, преодолев невысокий перевал, к ночи были в Охне. На следующий день они достигли кишлака Шахимардан. Отсюда Федченко предпринял попытку пробраться к югу через Алайский хребет. Но и на этот раз караул-беги помешал осуществлению плана: в истоках Аксу он попросту обманул путешественников, свернув умышленно с тропы, ведшей на перевал Кары-Казык.
И все же ученый добился своего. Выйдя из Учкургана и направляясь по долине реки Исфайрамсай, Федченко поднялся на заветный гребень Алайского хребта. Перед глазами путешественника засверкал снегами впервые открытый им грандиозный хребет, служивший северной границей Памирской выси . Федченко по праву первооткрывателя назвал этот хребет Заалайским, а величайшую его вершину (7134 метра), увиденную ученым еще с перевала Тенгиз-бай, именем Кауфмана (ныне пик Ленина). С перевала путешественники спустились в Алайскую долину. По дороге наблюдали любопытную речку, воды которой имели красноватый оттенок. Они назвали ее Кызылсу (в переводе с киргизского красная вода ). Ниже по течению эту реку таджики называют Сурхоб (что также означает красная вода ). Федченко понял, что, перевалив Алайский хребет, путешественники оказались на берегах одного из истоков Амударьи. На берегу Кызылсу разбили лагерь. Прямо на юг от лагеря отчетливо просматривалось ущелье реки Алтынин-дара. Это был путь к крыше мира . Маршрут вдоль северных склонов Алая позволил ему сделать вывод о принадлежности гор бассейна Зеравшана к Тянь-Шаню (ныне их относят к Гиссаро-Алайской системе). Федченко собрал богатую зоологическую, главным образом энтомологическую, коллекцию и установил общность форм животного и растительного мира Памиро-Алая, нагорной Центральной Азии и Гималаев. К сожалению, Федченко успел описать только первую часть своего последнего путешествия по Кокандскому ханству. Об обратном пути экспедиции можно судить лишь по проспекту недописанной им книги В Кокандском ханстве . В первых числах ноября 1872 года супруги Федченко были уже в Москве. Обработка коллекции, доклады, сообщения и статьи в различных органах печати о результатах второго путешествия в Туркестан все это отнимало массу времени. Итоги экспедиции оказались настолько значительными, что привлекали внимание многих научных обществ. 30 мая 1872 года (в день 200-летия со дня рождения Петра I) в Москве открылась Всероссийская политехническая выставка. Подготовленный супругами Федченко Туркестанский отдел, развернутый в Александровском саду, имел большой успех. В сентябре 1872 года супруги Федченко отправились во Францию. Оттуда они переехали в Лейпциг, где Лейкарт любезно предложил Федченко для занятии и проведения исследований свою лабораторию. Лето Федченко с женой и новорожденным сыном провел в Гейдельберге и Люцерне. Ученого не покидала мысль о новых походах и экспедициях. Памир должны открыть русские в этом Федченко был твердо убежден.
И он, первый из русских, своими глазами увидевший край крыши мира Заалайский хребет, мечтал продолжить свои исследования. Для того чтобы подготовиться к экспедиции, Федченко отправляется в Альпы. 31 августа 1873 года он приехал в деревню Шамуни, расположенную у подножия Монблана. Он нашел двух проводников молодых людей Жозефа и Проспера. В воскресенье в 5 часов утра Федченко с проводниками через Монтанвер вышли на ледник Коль-дю-Жеань. В два часа пополудни они были уже близко от перевала, как вдруг погода изменилась. Страшный ветер, снег и холод пронизывали путешественников. Алексею Павловичу стало плохо. По рассказу проводников, Алексей Павлович до того ослабел, что его толкали, несли, всячески помогали ему идти, но, выбившись из сил, в 9 часов вечера остановились . Жозеф и Проспер стерегли его до 2-х часов ночи , но потом, видя, что Федченко умирает, решили его оставить, чтобы не подвергнуться самим той же участи. Когда снизу пришла помощь, Федченко был уже мертв. Ему было всего 29 лет. Прах замечательного русского путешественника покоится в чужой земле. Над его могилой в Шамуни установлена глыба неотделанного гранита. В гранит вправлена мраморная доска. На доске надпись: Ты спишь, но труды твои не будут забыты .