З Чыты разам з іншымі ўдзельнікамі паўстання Дыбоўскага накіравалі ў сяленне Сівакова. Там для катаржан былі створаны невыносныя ўмовы. Але рускія калегі не забылі пра вучонага. Неўзабаве пры дапамозе Сібірскага аддзела Рускага геаграфічнага таварыства ён атрымаў дазвол на пераезд у сяленне Дарасун. Там пачаліся даследаванні расліннага і жывёльнага свету Прыбайкалля. Гады катаргі ператвараюцца ў гады плённай навуковай дзейнасці.
Да Дыбоўскага ў біялагічнай навуцы панавала думка, што раслінны і жывёльны свет Сібіры нічым істотным не адрозніваецца ад расліннага і жывёльнага свету Усходняй Еўропы, што фауна Байкала вельмі бедная і наогул не заслугоўвае ўвагі. Дыбоўскі ж меркаваў, што кожная вобласць у залежнасці ад існуючых там фізіка-геаграфічных умоў павінна мець свой адметны раслінны і жывёльны свет. Здагадка пацвердзілася. Дыбоўскі адкрыў і апісаў дзесяткі відаў птушак, рыб, насякомых, прасцейшых жывёлін, якія не сустракаліся нідзе, апрача Сібіры. Ён таксама даказаў, што сібірскія віды пераважна адрозніваюцца ад еўрапейскіх. Некаторыя з Іх пазней былі названы імем Дыбоўскага.
Летам 1868 года вучонаму дазволілі пасяліцца ў Култуку, невялікай вёсачцы на беразе Байкала. Пачаліся напружаныя даследаванні возера. Разам з сябрамі Гадлеўскім і Ксенжапольскім Дыбоўскі браў пробы вады, замяраў глыбіню, вывучаў жывёльны свет. У выніку было знойдзена 18 зусім новых відаў рыб. Хаця работы праводзіліся па праграме, зацверджанай Рускім геаграфічным таварыствам, на іх прыходзілася затрачваць асабістыя грошы. Даследаванні не спыняліся і ў летнюю спёку, і ў зімнюю завіруху. Некаторы час адкрывальнікі Байкала жылі ў юрце, устаноўленай на санях. Сабакі лёгка дастаўлялі юрту на любы ўчастак пакрытага лёдам возера. Нярэдка энтузіястаў замятала снегам, нярэдка пры снеданні яны абмяжоўваліся кавалкам чорнага хлеба. На дапамогу часта прыходзілі мясцовыя жыхары — бураты. Дыбоўскі быў у іх жаданым госцем, бясплатна лячыў іх, абараняў ад самавольства царскай адміністрацыі. Свае назіранні над побытам буратаў даследчык заносіў у дзённік, які мае вялікую этнаграфічную каштоўнасць.
Даследаваннямі Байкала і Ангары, а таксама навакольных гор і лясоў Дыбоўскі займаўся на працягу пяці год. Адсюль у еўрапейскія музеі было адпраўлена звыш 2500 экземпляраў прэпарыраваных птушак і звыш 100 000 экземпляраў насякомых. Многія з іх і сёння захоўваюцца ў музеях Масквы, Ленінграда, Варшавы, Кракава. Адначасова праводзіліся замеры тэмпературы і ўзроўню вады ў Байкале. 30 сакавіка 1876 года вучоны ўзяў першую і адзіную да 1925 года серыю тэмператур да глыбіні 1320 метраў. Быў зроблены таксама першы хімічны аналіз вады. За ўсё гэта Геаграфічнае таварыства ўзнагародзіла Дыбоўскага малым залатым медалём.
Даследчыка вабілі нязведаныя прасторы Далёкага Усходу. Разам з камісіяй генерал-ад'ютанта Скалкова Дыбоўскі адправіўся па Амуры ва Уладзівасток. Частку дарогі ён ехаў разам з выдатным падарожнікам Пржавальскім.
У 1877 годзе дзякуючы хадайніцтву Геаграфічнага таварыства Дыбоўскаму дазволілі вярнуцца на радзіму. Ён пабываў у Адамарыне, наведаў у Варшаве свайго настаўніка, віднага заолага Тачаноўскага, устанавіў сувязі з пецярбургскімі вучонымі. Яму прапанавалі кафедру ў Томскім універсітэце, работу ў сталічных музеях. Аднак Дыбоўскі сумаваў на неабсяжных прасторах Сібіры, па яе мужных і загартаваных людзях. І таму ён папрасіў прызначыць яго акруговым урачом далёкай Камчаткі. Дабраўшыся туды, вучоны павёў нялёгкую, але высакародную барацьбу з праказай і іншымі заразнымі хваробамі. Жадаючы даказаць, што мясцовыя жыхары не належаць да нейкай ніжэйшай расы, ён займаецца антрапалогіяй. Пад яго рэдакцыяй выходзяць слоўнікі камчадальскай, бурацкай і іншых моў. Дыбоўскі памагаў мясцовым жыхарам палепшыць матэрыяльныя ўмовы, на ўласныя грошы завёз туды аленяў. Назіранні гэтага перыяду вельмі цікава выкладзены ў кнізе «Пра Сібір і Камчатку».
У 1884 годзе Дыбоўскі вярнуўся ў Еўропу і ўзначаліў кафедру заалогіі ў Львоўскім універсітэце, заняўся сістэматызацыяй і абагульненнем сабранага матэрыялу. К таму часу працы вучонага перакладаліся і выдаваліся ў розных краінах свету.