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.

В конце мая 1895 года В. А. Обручев возвратился в Иркутск. В это время началось строительство Транссибирской железнодорожной магистрали. Обручев как начальник горной партии в течение четырех лет руководил геологическими исследованиями территорий, на которых строилась железная дорога. Он лично изучил южную часть Западного Забайкалья (от озера Байкал до города Читы), а два его помощника — молодой горный инженер А. П. Герасимов и геолог А. Э. Гедройц — работали в южной части Восточного Забайкалья (от Читы до слияния рек Шилки и Аргуни, образующих реку Амур).

В начале июня Обручев выехал из Иркутска и, переплыв Байкал на пароходе, добрался до Верхнеудинска (теперь Улан-Удэ). Оттуда он направился через хребет Цаган-Дабан на юг, до долины реки Тугнуй. Началось детальное геологическое обследование всего района. Небольшой караван проходил за день 20–30 километров. Обручев осматривал все выходы горных пород вдоль трассы будущей железной дороги. Приходилось отъезжать и в стороны, если там показывались обнажения.

Понадобилось три раза пересечь Яблоновый хребет. Была обследована долина реки Ингоды. На востоке эту долину окаймлял безымянный хребет. Обручев обозначил его по предложению своего помощника Герасимова как хребет Черского — в честь знаменитого путешественника, исследователя Восточной Сибири.

В следующий летний сезон были изучены горные хребты Цаган-Дабан, Заганский и Малханский, затем хребты Моностой и Хамбинский на левом берегу реки Селенги, а также берега реки Хилки и долина реки Никоя, обследованы расположенные в этом районе месторождения угля и железной руды.

Обручев убедился в наличии слоистых, очевидно озерных, наносов на перевале через Яблоновый хребет. Он сделал вывод, что в четвертичный период долины всей Селенгинской Даурии были заняты озерами и через Яблоновый хребет эти озера сообщались с озерами Амурского бассейна. Именно этим он объяснил проникновение в озеро Байкал тюленя и морской кремневой губки.

Весной 1901 года Обручев был назначен начальником Ленской геологической партии для проведения геологической съемки всего золотоносного бассейна реки Бодайбо, притока Витима. Этот бассейн был главным по добыче золота в Ленском районе. В течение летнего полевого сезона начальник вместе с двумя молодыми помощниками-геологами провел геологическое обследование всего бассейна реки Бодайбо, подробно изучил подземные и открытые работы на приисках этого района.

В том же 1901 году Обручева пригласили в учрежденный в 1900 году Томский технологический институт. Став профессором геологии и деканом горного отделения (первой в Сибири высшей горной школы), он читал лекции по физической и полевой геологии, рудным месторождениям и петрографии, организовал геологический кабинет и библиотеку.

В летние сезоны 1905, 1906 и 1909 годов профессор Обручев провел экспедиции в Пограничную Джунгарию (Синьцзян), так как его особо интересовала почти не исследованная область Внутренней Азии, расположенная на стыке горных систем Алтая и Тянь-Шаня. В экспедицию 1905 года он взял с собой сыновей — 17-летнего Владимира и 14-летнего Сергея, чтобы познакомить их с условиями жизни и работы путешественника. После обследования хребта Манрак в конце экспедиции Обручев и его спутники спустились в город Зайсанск (теперь Зайсан). Оттуда по почтовому тракту через Усть-Каменогорск и Змеиногорск они поехали в Барнаул, где сели на пароход, доставивший их в Томск. Экспедиции 1906 и 1909 годов позволили собрать дополнительный материал по геологии хребтов и долин Пограничной Джунгарии. Наблюдения в ходе всех трех экспедиций помогли ученому глубже понять геологическое строение Центральной Азии.

Весной 1912 года Томский технологический институт подвергся ревизии Министерства народного просвещения, вызванной студенческими забастовками. После этого В. А. Обручев был вынужден подать в отставку и переехать в Москву. Летом 1918 года Владимир Афанасьевич поступил на службу в Высший совет народного хозяйства, который направил его в Донбасс для разведки цементных материалов и огнеупорных глин. Гражданская война не дала ему возможности возвратиться в Москву, и он в 1920–1921 годах читал лекции по геологии в Таврическом университете, в Симферополе, в Москве оказался лишь в 1922 году.

Семь лет Владимир Афанасьевич преподавал геологию в Московской горной академии. Читая студентам курсы «Рудные месторождения» и «Полевая геология», он создал по ним учебники, которые были изданы в двух томах каждый. Тогда же был написан его обобщающий труд «Геология Сибири» — за него ученый был удостоен премии имени В. И. Ленина (1926 год).

В. А. Обручев внес крупный вклад в геологическую науку. Но он уже почти сто лет известен и как писатель, автор научно-фантастических и приключенческих книг.

Особенно популярны его романы «Плутония» (впервые опубликован в 1924 году) и «Земля Санникова» (впервые опубликован в 1926 году; советская экранизация вышла в 1973 году).

В 1929 году В. А. Обручев стал действительным членом Академии наук СССР (членом-корреспондентом был уже с 1921 года) и переехал в Ленинград, где возглавил Геологический институт Академии наук и был его директором до 1933 года. Совместно с известным специалистом по вечной мерзлоте М. И. Сумгиным он организовал изучение вечной мерзлоты на территории СССР. Впоследствии вновь созданному Институту мерзлотоведения было присвоено имя В. А. Обручева.

В 1936 году, когда Владимиру Афанасьевичу было 73 года, он совершил поездку на Алтай, где осмотрел месторождения ртути, а также и выходы мраморов, которые требовались для строившегося Московского метрополитена. Через два года его наградили орденом Трудового Красного Знамени. В годы Великой Отечественной войны он, работая в Свердловске (теперь Екатеринбург), продолжал научную деятельность и активно работал в Комиссии по мобилизации ресурсов Урала, Западной Сибири и Казахстана на нужды обороны. В 1943 году в связи с 80-летием ученого наградили орденом Ленина, а через два года ему присвоили звание Героя Социалистического Труда. В 1947 году Президиум Академии наук присудил старейшему геологу премию и первую золотую медаль им. А. П. Карпинского. В 1941 и 1950 годах он получил Государственную премию СССР.