ВТОРОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ — МОНГОЛИЯ И СЕВЕРНЫЙ КИТАЙ. Оно состоялось в 1878–1879 гг. Еще в начале 1878 г. прошел слух (о котором сообщил в РГО Г. Н. Потанин), что бийские купцы снаряжают в Китай большой караван с ценным грузом и ему требуется серьезная охрана из-за тревожной внутриполитической ситуации в стране. Многолетнее антикитайское восстание дунган привело к тому, что весь север страны был наводнен небольшими вооруженными отрядами, представлявшими опасность не только для властей, но и для мирных жителей Северного Китая: они грабили деревни, угоняли скот, а при случае нападали на богатые торговые караваны. Именно такой караван и нужно было провести из монгольского г. Кобдо в китайский г. Куку-хото (в провинции Шаньси). Он состоял из нескольких десятков верблюдов, груженных ценнейшими маральими рогами, погонщиков, ухаживавших за животными, купцов и охраны. Генерал-губернатор Западной Сибири и РГО ходатайствовали о назначении подполковника М. В. Певцова начальником охраны этого каравана, поручив ему изучить заодно вопрос о соединении Хайнгайского хребта и Монгольской части Алтая и вообще обследовать северо-западную окраину Монголии, поскольку точных карт этого района еще не существовало. Вместе с двумя прикомандированными к Певцову топографами и конвоем из шести казаков, знавших монгольский язык, экспедиция отправилась в путь.
Маршрут был определен от станицы Алтайская (в Западной Сибири). Перейдя вблизи нее российскую границу, в июле 1878 г. участники экспедиции за три недели дошли до г. Кобдо (в Западной Монголии) и оттуда вышли в юго-восточном направлении, вдоль северного подножия Южного (Китайского) Алтая. Экспедиция следовала по старинному торговому тракту, который еще не был известен европейцам. Фактически они пересекли пустыню Гоби в самом широком и опасном месте и достигли цели купцов — китайского города Гуй-хуа-чен (по-монгольски — Куку-хото). Распростившись здесь с торговцами товаров, экспедиция Певцова отправилась в расположенный неподалеку г. Калган, в котором ее участники пробыли около двух месяцев, решено было сначала отдохнуть после тяжелейшего перехода, а потом заняться основным — научными изысканиями.
Обратный путь домой лежал по прямой караванной дороге через Ургу (Улан-Батор) и г. Улясутай, хорошо известный путешественникам; к русской границе у пос. Кош-Агач они подошли, закончив свое тринадцатимесячное путешествие.
Результатами данного путешествия Певцова считаются прежде всего многочисленные географические достижения. Были произведены маршрутные глазомерные съемки на протяжении более чем 4 тыс. км (в 5-верстовом масштабе), дополненные личными наблюдениями и опросами местных жителей; барометрические измерения 44 пунктов (причем каждый двукратно) оказались необходимым подспорьем при составлении орографических схем страны; посредством астрономических наблюдений Певцовым были определены географические координаты 29 пунктов. Кстати, известный российский астроном, проф. К. В. Шарнгорст, позднее обрабатывавший в Петербурге эти материалы, писал: «Певцов оказал географии весьма важную услугу своими многочисленными определениями, которые, при имевшихся в его распоряжении средствах, сделали бы честь даже астроному по профессии». После данных, собранных в экспедиции Певцовым, стало возможным составление в 1883 г. сводной карты Монголии, в которой были также использованы материалы Н. М. Пржевальского, П. А. Рафаилова и Г. Н. Потанина.
Начальство высоко оценило научную деятельность Певцова в Монголии и Северном Китае: через несколько лет (в 1885 г.) он был награжден РГО медалью Литке (по географии); правительство удостоило его орденом Святого Владимира 4-й степени; кроме того, решено официально назвать ледник хр. Монгольский Алтай в Синьцзяне именем Певцова. Характерная для поведения Певцова черта — он озаботился, чтобы два его соратника-топографа были повышены в чине.
После второго путешествия Певцов вернулся в Омск, где прожил еще семь лет. Там он продолжал работать, исполняя обязанности начальника Штаба округа, много сил отдавал Западно-Сибирскому отделу РГО, а на досуге устроил во дворе своего дома маленькую обсерваторию, где ежедневно занимался астрономическими наблюдениями, оттачивая свой новый метод определения географической широты. Результаты своего открытия он изложил в статье «Об определении географической широты по соответственным высотам двух звезд», опубликованной в 1887 г. в «Записках» РГО. Тогда же М. В. Певцов был переведен служить в Петербург, где ему была предоставлена должность делопроизводителя Азиатской части Генштаба. Там он и пребывал вплоть до своей третьей, самой большой экспедиции в Центральную Азию.