В эту экспедицию он был зачислен в качестве геолога и получил самостоятельное задание. По богатству собранного материала и широте охвата территории путешествие Обручева по Центральной Азии остаётся до сих пор непревзойдённым. За два с небольшим года он со своим отрядом – на лошадях, мулах, верблюдах и пешком – прошёл свыше 13 тысяч километров, из них почти половину по тем местам, где ещё не ступала нога европейца. В пути он вёл подробный дневник географических и геологических наблюдений, маршрутную съёмку на протяжении 9 тысяч километров. В более чем 800 точках произвёл инструментальное измерение высот. Было собрано несколько тысяч образцов горных пород и отпечатков ископаемых животных и растений.
Своими исследованиями В.А. Обручев опроверг принятую в то время гипотезу, будто пустыня Гоби в далёкую геологическую эпоху была морским дном. По найденным останкам вымерших животных и растений Обручев доказал, что здесь была суша с богатейшим растительным и животным миром. Он выяснил происхождение лёсса как продукта выветривания горных пород Центральной Азии, которые в виде пыли переносились ветром в Северный Китай, образовав за миллионы лет мощные толщи.
Обручев заполнил на карте Центральной Азии многие «белые пятна», определил основные черты строения рельефа Восточной и Центральной Монголии, Северного Китая и других районов, о чём до него практически ничего не было известно. В системе Наньшаня Обручев открыл несколько новых хребтов и назвал их именами И.В. Мушкетова (известного учёного-геолога, своего учителя по институту), П.П. Семёнова (будущего Семёнова-Тян-Шаньского) и Русского географического общества. Наконец, как географ изучал культуру и быт населяющих Центральную Азию народов.
После этой экспедиции Обручева его имя получило мировую известность. Об итогах экспедиции он написал несколько научных работ («Центральная Азия, Северный Китай и Нань-шань», «Природа и жители Центральной Азии и его юго-восточной окраины» и др.), завоевавших признание как в России, так и за рубежом. Обручев был признан одним из выдающихся исследователей Азии. До сих пор при изучении природных ресурсов своей страны китайские геологи пользуются научными материалами В.А. Обручева.
В 1895–1898 годах В.А. Обручев возглавлял крупные геологические исследования в Сибири. В связи со строительством Великой Сибирской железнодорожной магистрали он организовал планомерные геологические исследования в южном и юго-восточном Забайкалье и изучал природу юго-западного Забайкалья. Эти исследования послужили материалом для монографии о Селенгинской Даурии. В научных трудах этого периода Обручев доказал, что Сибирь, как и европейская часть России, была в своё время покрыта ледниками, что современный рельеф азиатской части Евразии сравнительно молодой, он образовался в последнюю геологическую эпоху.
Весной 1898 года В.А. Обручев переехал в Петербург и в течение трёх лет детально обрабатывал материалы своих предыдущих экспедиций. В 1901–1912 годах Обручев работал деканом горного факультета в Томском технологическом институте (ныне – Политехнический университет), а с 1912 года – в научно-исследовательских и учебных заведениях Москвы, совмещая педагогическую деятельность с научно-исследовательской работой.
В летние месяцы 1905, 1906 и 1909 гг. он выезжал исследовать бассейн р. Бодайбо, Ленские прииски, Джунгарию, степи Казахстана от Семипалатинска до границы с Китаем, берега Енисея севернее Красноярска, Алтай. Результаты этих исследований были впоследствии опубликованы в монографии «Пограничная Джунгария» и в обзорах в журнале «Платина и золото». Труды по этим золотоносным районам выдвинули Обручева как крупного специалиста по геологии золоторудных месторождений.
В 1914 году Обручев предпринял экспедицию на Алтай. Опубликованная по материалам экспедиции работа «Алтайские этюды» положила начало новым представлениям о палеогеографии этой горной области. Исследования на Алтае позволили также собрать значительный материал, на базе которого учёный впоследствии создал новую ветвь геологии – неотектонику.
С 1921 года Обручев – член-корреспондент, а с 1929 года – действительный член Академии наук СССР. В 1929–1933 годах Владимир Афанасьевич возглавлял геологический институт АН СССР, и одновременно с 1930 года он – председатель академической комиссии по изучению вечной мерзлоты (с 1939 года – Институт мерзлотоведения). В годы Великой Отечественной войны Обручев – академик-секретарь Отделения геолого-географических наук АН СССР, проводившего крупные работы оборонного значения. В 1947 году Обручев был избран почетным президентом Географического общества СССР.
П. К. Козлов и открытие Мертвого города