Вышли невредимыми только Голе Каплин и Чекановский. Ксенжопольский лишился рассудка, а Нахвальный долгое время тяжело болел. На обратном пути их пришлось многие километры везти на санях, пока, наконец, 5 ноября 1873 года Чекановский и еле стоящий на ногах Миллер не добрались до Иркутска. Главным результатом экспедиции Чекановский считал открытие огромного траппового покрова, прослеженного им по долине реки на протяжении более 1900 километров. Однако не менее важные результаты ее выявились несколько позднее. В статье Дополнительные сведения к карте реки Нижней Тунгуски Чекановский впервые охарактеризовал всю территорию по Нижней Тунгуске как плоскогорье возвышенность с характерными столовыми горами. Фактически он совершил научное открытие Среднесибирского плоскогорья и описал рельеф ее центральной части. Только шесть недель длился отдых Чекановского. Спешно готовилась новая экспедиция, которая должна была пересечь полярный круг и произвести исследования до еще неизвестной тогда реки Оленек. Чекановский и Миллер покинули Иркутск 25 декабря 1873 года с двумя проводниками-эвенками и тронулись прежней дорогой в направлении Ербочагена. Там нужно было ожидать караван тунгусов, которые на оленьих упряжках перевезут их к озерам Сюрунгна и Яконгна. В путевом дневнике Чекановского мы часто находим теплые отзывы о тунгусах, которые появились в Сибири в середине XVII века, перекочевав сюда из Маньчжурии. 15 февраля Чекановский двинулся к озерам, из которых берет начало водная система Хатанги и Оленёка. Путешествие длилось два месяца, и, наконец, в апреле экспедиция достигла берегов Сюрунгны (Вилюя). После нескольких недель исследования берегов озера Яконгна, 6 июня 1874 года, экспедиция достигла довольно значительной реки. Чекановский, решив,что это Оленек, в июне на построенном на месте карбасе начал сплав, но встретившийся ему в тот же день тунгус объяснил, что это Мойеро (приток Котуя), а Оленек находится к северо-востоку. Чекановский собрал расспросные сведения о Котуе и верховьях Мойеро, об области значительных озерных систем... и нанес эти сильно преувеличенные данные на карту. Так родилась легенда о великих озерах в бассейне реки Котуя, просуществовавшая до Хатангской экспедиции 1905 года. (По новейшим данным, крупнейшее озеро в этом регионе Ессей, около 238 квадратных километров.) С Мойеро через невысокий водораздел Чекановский перешел на Оленек, примерно в 150 километрах ниже истока, и на плоту в июле начал сплав по реке. Путешествие было трудным: мешали мели, пороги, а в конце сильный встречный ветер.
Чекановский установил, что по Оленёку нет высоких гор. Долина [реки] вообще узка и расширяется только на устьях больших притоков, и настолько значительно, что один из склонов теряется из виду . Наступившие в конце сентября холода помешали дальнейшему сплаву по Оленёку, и экспедиция двинулась к устью уже зимним путем на оленях: сначала по той же возвышенности, а севернее по плоской и низменной приморской тундре (часть Северосибирской низменности). Иными словами, Чекановский завершил пересечение Среднесибирского плоскогорья в северо-восточном направлении, добравшись к устью Оленёка в начале ноября. По его определению, длина реки составляет около 2350 километров (по последним данным 2292 километра). Ф. Миллер впервые провел сравнительно регулярные измерения высот Восточной Сибири. Чекановский поднялся по одному из правых притоков Оленёка и через невысокий плоский Оленёкско-Ленский водораздел перешел в бассейн Лены и спустился по ней до селения Булун. Отсюда мимо северного отрога Верхоянского хребта (Хараулахский хребет) он обычным путем через Верхоянск и Якутск проехал в Иркутск (5 января 1875 года), охватив огромным кольцевым маршрутом восточную половину Средней Сибири. Организовывая свою третью сибирскую экспедицию, Чекановский намеревался итти по берегу Лены до самого устья и если удастся, то зайти в устье Оленёка со стороны моря. Такой маршрут, писал он, дал бы возможность собрать ботаническую и энтомологическую коллекции, прежде всего на территории тундры, которая во время предыдущего путешествия не была достаточно обследована . Если две предыдущие экспедиции были финансированы Академией наук в Петербурге, то эта последняя была снаряжена на собственные денежные средства Чекановского. Его спутником в этом семимесячном странствии по якутскому краю оказался Зигмунт Венгловский, тоже ссыльный, бывший студент философии Киевского университета. Оба исследователя 1 июля 1875 года доплыли на лодке до Якутска, где перегрузили багаж экспедиции на баржу. Чекановский рассчитывал перед наступлением зимы успеть провести геологические исследования берегов реки Лены. Однако короткое и ненастное лето сорвало планы экспедиции. Подули северные ветры, пишет Венгловский. На огромной реке бушевали непрерывные бури. Плавание было исключительно трудным и опасным. Чекановский приходил в отчаяние: в ночь с 22 на 23 мая все покрылось инеем, листья окрасились в осенние цвета . Чекановский провел с баржи исследование берегов Лены от Якутска до Булуна: на протяжении примерно 1200 километров описал берега реки и правильно нанес ее на карту.
Пройдя ниже Булуна к устью реки Эекита, он поднялся по этому левому притоку Лены до истока, вторично пересек Оленёкско-Ленский водораздел севернее своего прошлогоднего маршрута и по долине реки Келимяр спустился к Оленёку. Чекановский организовал отряд, состоящий из 20 оленей и пяти проводников. Покидаем Лену и начинаем путешествие к Оленёку , записывает он. Вначале путь пролегал по глубокому и широкому заливу реки Аякит, а далее по скалистой и горной области, лежащей между Леной и Оленёком. Это была почти неисследованная учеными местность. Только однажды в 1854 году к Оленёку вышла русская научная экспедиция. Невысокий (до 529 метров) водораздельный хребет, открытый и описанный Чекановским, впоследствии по предложению Э. В. Толля был назван кряжем Чекановского (длина 350 километров). Экспедиция продвигалась, пересекая то горы и бассейны многочисленных рек, то гигантские просторы каменистой тундры, покрытой лишь лишайниками и трудной для передвижения не только людей, но и оленей. Форсированные переходы продолжались девятнадцать дней, пока исследователи не вышли к берегам Оленёка выше устья реки Келимяра (Карбалаган). От Келимяра Чекановский проследил течение Оленёка до устья, где посетил могилы Прончищевых, безрезультатно искавших в XVII веке северо-восточный проход, который соединил бы Европу с Дальним Востоком. 26 августа с вершины горы Каранчат они увидели океан. Спустя два дня, по долине реки Бычар они отправились в сторону Крестового мыса, намереваясь еще в одном месте выйти,к берегам моря. 18 сентября экспедиция уже находится в Булуне, и оттуда начинается длинная и полная опасностей трасса. Благополучно перебрались через уже замерзшую Лену и на нартах, запряженных оленями, доехали до Верхоянска, откуда через заснеженные горы и обледеневшую тундру 20 декабря 1875 года вышли к Иркутску. В течение 7 месяцев они проделали свыше 11 тысяч километров, привезя с собой многочисленные топографические съемки, описание пройденной трассы и 1500 палеонтологических экспонатов. Так закончились три экспедиции Чекановского, зоологические результаты которых член Академии наук Шмидт признал самыми богатыми из всех, какие когда-либо были предприняты в Сибири. Богатые по своему содержанию отчеты экспедиции, будучи переведены на разные языки, стали достоянием науки, а составленные Чекановским карты значительно изменили и дополнили карту азиатской России . В течение трех лет Чекановский проделал 25 тысяч километров, а собранные с участием его товарищей Ксенжопольского и Венгловского коллекции насчитывали 18 тысяч экспонатов. Этот одаренный необычайной энергией ученый оставил очень подробное геологическое описание исследованных районов, обработал тунгусский словарь, описал экономическое состояние и условия жизни населения, а также дал представление о географии огромных пространств, раскинувшихся от границ Монголии до берегов Северного Ледовитого океана.
Достижения Чекановского, особенно в области исследования геологического строения Сибири, имели громадное значение для науки. В конце 1875 года, после одиннадцати лет ссылки, Чекановский, наконец, дождался амнистии, а вместе с ней приглашения в тогдашнюю столицу России и назначения научным сотрудником Петербургской Академии наук. Поэтому шумно и весело он отпраздновал Новый год в Иркутске, пригласив на это прощальное торжество многочисленных друзей. В Петербурге его уже ждал избавитель от падунской каторги Фридрих Шмидт. Чекановский становится хранителем минералогического музея. Он получает просторный и хорошо оборудованный научными пособиями рабочий кабинет и нескольких научных сотрудников, которые должны ему помогать в геологических и картографических работах. Летом 1876 года он сумел обработать две карты: бассейна Ангары и Подкаменной Тунгуски, а также Лены вниз от Якутска до Булуна вместе с рекой Яной. В то же время он исследует привезенные из последней экспедиции окаменелости, выезжает в Стокгольм, чтобы сравнить свои коллекции с экспонатами, привезенными шведскими учеными со Шпицбергена, а после возвращения представляет Академии наук проект новой научной экспедиции, в которой ставит своей целью исследовать в геологическом отношении все большие сибирские реки на территории между Енисеем, Леной, Анабаром, Хатангой и Пясиной. Эта задуманная со свойственным ему размахом экспедиция могла принести русской науке серьезные достижения в области ознакомления с огромной частью северной Сибири. Однако снаряжение экспедиции требовало больших средств, и в связи с этим проект Чекановского встретил возражения со стороны нескольких членов Президиума Академии. Столь неожиданный удар был для Чекановского, мечтавшего о новых путешествиях, потрясением. Наступило резкое обострение нервной болезни. Сильное расстройство довело его до мании преследования. Он хотел бежать из Петербурга. Ему казалось, что он окружен врагами, покушающимися на его жизнь. Когда 18 октября 1876 года Фридрих Шмидт пришел к нему на ежедневную короткую беседу, он застал Чекановского в агонии. Накануне тот принял большую дозу яда. Страстная любовь к природе, редкая выносливость и настойчивость помогли ему проделать огромную экспедиционную работу. Общая длина его рабочих маршрутов составила около 27 тысяч километров. Он оставил ценнейший материал, на основе которого написано несколько монографий по различным отраслям естественных наук. Карты Лены, Оленёка и Нижней Тунгуски, составленные Чекановским и Миллером, впоследствии были сведены в стоверстную карту, долгое время бывшую единственной для Средней Сибири. Исследования Чекановского охватили огромную территорию Среднесибирского плоскогорья от Енисея до Лены и от Байкала до устья Оленёка. Экспедиция 1873-1875 годов может по справедливости считаться драгоценным вкладом в картографию Восточной Сибири (Р. Маак).