В январе 1869 г. Нахтигаль выступил из Триполи, направляясь на юг, в Феццан. Эта часть путешествия прошла без всяких происшествий, и скоро путешественник оказался в Мурзуке, столице этой области. Здесь ему пришлось задержаться: двигаться через Сахару можно было только в составе крупного каравана, а его формирования надо было ожидать не раньше, как через полгода.
Нахтигаль решил использовать время ожидания в Мурзуке для начала серьезных исследований. В качестве их объекта он избрал нагорье Тибести, лежащее к юго-западу от Феццана. Дело в том, что хотя Мурзук к этому времени и стал достаточно обычным пунктом остановки европейских экспедиций, направлявшихся в Судан, однако дальнейший маршрут всех этих экспедиций шел от Мурзука прямо на юг, и Тибести оставалось восточнее его. Именно так двигались Барт за два десятилетия до путешествия Нахтигаля и Рольфс — за два года до него. Таким образом, Нахтигаль стал первым европейцем, достигшим Тибести. И уже во время этой экспедиции он обнаружил те качества внимательного и даже педантичного наблюдателя, которые в дальнейшем отличали все его отчеты о пройденных маршрутах. Путешественник достиг высоты 3000 м и подготовил самую первую, еще схематичную, карту нагорья. Пожалуй, особенный интерес, с научной точки зрения, представляли наблюдения Нахтигаля за огромными температурными перепадами в исключительно суровых природных условиях Тибести. Здесь же Нахтигаль впервые во время экспедиции познакомился с теда — частью сахарского народа тубу, населяющей нагорье.
Впрочем, это знакомство не оставило у него приятных воспоминаний, и впоследствии, во время путешествия в Канем, он напишет об ужасах «рокового путешествия» в Тибести Уже на обратном пути в Мурзук его небольшой отряд подвергся нападению, и Нахтигаль был ограблен. В довершение несчастья как раз в этот момент он перенес тяжелейшую лихорадку И все же первый научный маршрут можно было считать несомненной удачей, что подтвердила высокая оценка его результатов, которые были опубликованы в Париже в 1870 г.
В этом же году Нахтигаль беспрепятственно достиг столицы Борну — города Кукава (Кука), вручил королевские подарки правителю страны — шейху Омару, и на том его официальная миссия завершилась. Однако он решил задержаться здесь на какое-то время, дабы обследовать главным образом районы к востоку и северо-востоку от оз. Чад, в которые еще не проникали европейцы. Более всего интересовало его государство Вадаи, лежавшее между этими районами и Дарфуром. Эти планы вылились в несколько отдельных экспедиций, базой которых служила Кукава. В 187] г. состоялась экспедиция в Канем — провинцию Борну к северо-востоку от озера; во время этой экспедиции Нахтигаль, двигаясь с арабскими караванами, достиг впадины Боделе к югу от Тибести. На следующий год он побывал в областях к югу и юго-востоку от Чада, в нижнем течении р. Шари, т. е. в государстве Багирми. Наконец, в 1873 г. он получил возможность двинуться к столице государства Вадаи — Абеше. В Вадаи он провел целый год и только в августе следующего года достиг города Эль-Обейд на территории Восточного Судана, откуда спустился по Нилу до Средиземного моря.
Время, в которое Нахтигаль оказался в Центральном Судане, меньше всего можно было назвать спокойным Непрерывные военные столкновения между Борну и Вадаи, Вадаи и Багирми, напряженные отношения между Борну и фульбским султанатом Сокото на западной границе — все это создавало обстановку неуверенности и разрухи К 70-м годам XIX в. и Борну, и Вадаи, и Багирми уже прошли высшую точку своего развития, вступив в полосу упадка. Ослабление центральной власти сопровождалось постоянными династическими усобицами, в которые охотно вмешивались соседи, поддерживая тех или иных претендентов на верховную власть. К этому добавлялось резко усилившееся давление со стороны арабских племен, численность которых в регионе заметно возросла: шейх Мухаммед ал-Канеми, основатель новой династии в Борну, в 20-х годах XIX столетия пригласил сюда из Феццана довольно многочисленные арабские племена, на которые в значительной мере опирался в своей политике. От пришельцев плохо приходилось и оседлому населению, и кочевникам-неарабам. Помимо обычных форм эксплуатации кочевниками земледельцев оазисов широчайшее распространение получили и набеги, которые часто (но совсем не обязательно) рассматривались в качестве войны с неверующими или «плохими» мусульманами. Взаимное ослабление центральносуданских государств косвенно подготавливало успехи французских военных колонн впоследствии, когда начался колониальный раздел континента.