В 1879 году отправился в Тибет с Н. М. Пржевальским, которому потом помогал в разработке добытых материалов. За выдающиеся результаты этой экспедиции Русское Географическое общество присудило В. И. Роборовскому «Малую золотую медаль». В августе 1883 года он вновь отправился с Пржевальским в путешествие, продолжавшееся два года; на Всеволоде Ивановиче лежало, главным образом, собирание растений, составивших единственный в своем роде центрально-азиатский гербарий, находящийся в Санкт-Петербургском ботаническом саду. В 1888 году Роборовский отправился с Пржевальским в третье путешествие; по смерти Пржевальского во главе экспедиции стал М. В. Певцов, по поручению которого Роборовский произвел пять самостоятельных поездок, на нагорье Тибета, в сторону истоков Керии-Дарьи, в неведомую пустыню, на высоте 16000 футов над уровнем моря, куда не осмелился проникнуть никто из туземцев, так как там, по их словам, царит смерть, удушье. За результаты этой экспедиции Роборовский получил от Географического общества самую драгоценную для него награду — «Большую серебряную медаль имени Н. М. Пржевальского».
В 1893 году он отправился во главе экспедиции на восточную окраину нагорной Азии; на окраине Люкчунской впадины устроил метеорологическую станцию, действовавшую два года; исследовал Большой Юлдус, где до него не проходил никто из европейцев, и Люкчунскую впадину, сделал трудный переход в Хамийский оазис и прошел в Сачжоу, где в течение четырёх месяцев производились метеорологические наблюдения. 28 января 1895 у Всеволода Ивановича произошёл инсульт, экспедицию пришлось завершать.
Роборовский состоял членом многих ученых обществ; получил от географического общества высшую награду — Большую Константиновскую медаль. Скончался полковник Роборовский 5 августа (23 июля) 1910 года.
Похоронен на кладбище деревни Овсище ныне Вышневолоцкого района Тверской области.
В честь Роборовского назван хомячок (Phodopus roborovskii).