Одновременно Черский приступил к написанию работы, которая обобщала его двадцатилетние исследования в области палеонтологии. В это время Академия наук рассматривала проект экспедиции в бассейн Анабаpa и Хатанги, надеясь, что там удастся обнаружить останки мамонтов. Черский представил совсем иной проект. По его мнению, для исследований следовало выбрать местность, защищенную с юга и с запада высокими горами, исключающими возможность переноса наслоений вместе с останками животных на ниже расположенные территории. Такой местностью он считал бассейны Яны, Индигирки и Колымы. Академия наук согласилась с проектом, и летом 1891 года Черский в обществе жены и сына преодолел на лошадях необычайно трудную дорогу из Якутска в Верхнеколымск. Сначала он прошел обычным путем через южную часть Верхоянского хребта в Оймякон на Индигирке и исследовал Оймяконское плоскогорье. Оттуда Черский двинулся на северо-восток и перевалил сравнительно высокий (до 2341 метра) хребет Тас-Кыстабыт, простирающийся, как он установил, с севера на запад. Он собрал первые расспросные сведения о значительной вершине в верховьях реки Сунтар (бассейн Индигирки) и правильно определил, что она имеет особое значение для орографии района. Затем Черский пересек Нерское плоскогорье и две горные цепи Улахан-Чистай и Томус-хай (теперь Момский хребет), продолжив таким образом, открытие большого водораздельного пространства между системами Индигирки и Колымы, начатое Г. Сарычевым. Наконец, перевалив Момский хребет, он вышел к Верхнеколымску в сентябре 1891 года. Колымская экспедиция планировалась на три года и должна была охватить путешествие по Колыме до самого океана, исследование берегов Индигирки и западной части Верхоянских гор. Преждевременно наступившая полярная зима задержала путешественников на длительное время в Верхнеколымске. Остановка продолжалась до мая 1892. года. До конца зимы было еще далеко, а тем временем Черский все чаще болел. Утро приносило облегчение. Черский садился за стол и начинал объяснять жене цель экспедиции. Видя приближающуюся смерть, он обязал жену продолжать путешествие, добраться до Нижнеколымска. Заменяя его, она должна была провести геологические исследования, записать все согласно его указаниям в журнале и весь научный материал доставить в Академию. 31 мая 1892 года начал таять лед на реке, и Черский распорядился выезжать в Колымск. Имущество погрузили на большие примитивные лодки, и экспедиция тронулась в путь. Черский приказал приготовить для себя на носу лодки постель и полулежа вел наблюдения за берегами. Его состояние непрерывно ухудшалось. Несмотря на это, он в течение двадцати шести дней сам вел дневник путешествия.
25 июня произошло последнее, самое страшное кровотечение. Лодку остановили около устья реки Прорвы. Здесь и умер выдающийся ученый и путешественник. За месяц до смерти, чувствуя резкое ухудшение здоровья, Черский написал письмо в Академию наук и сообщил о своей тяжелой болезни. В этом письме, которое можно считать его завещанием, он выразил свою волю: в случае моей смерти, где бы она ни произошла, экспедиция под руководством моей жены Мавры Павловны Черской должна, несмотря на это, доплыть этим летом до Нижнеколымска, производя работу главным образом в области зоологии и ботаники, а также тех геологических проблем, тематика которых доступна моей жене . Экспедиция двинулась по направлению к Нижнеколымску. Мавра Павловна не прекратила дальнейших исследований. Она продолжала вести дневник путешествия и заносить в него данные научных наблюдений. И только когда выпал первый снег, Черская повернула обратно. В Иркутске она передала все материалы экспедиции посланнику Петербургской Академии наук. В 1926 году была организована научная экспедиция по следам Черского в Колымский край. Руководство экспедицией взял на себя Сергей Обручев, сын академика В. А. Обручева. Большой горный массив, тянущийся восточнее цепи Верхоянских гор, был назван хребтом Черского.