Весной 1856 года Семенов оставил Петербург и через Москву, Казань и Урал, по большому сибирскому тракту двинулся к цели, преодолевая за сутки по 400 верст. К 1 июня он вышел на берега Иртыша. Преодолев Обь - переправа продолжалась весь день, Семенов в конце июня увидел Алтай.
В 1856 году из Семипалатинска Семенов добрался до Балхаша, который со своей "отсохшей оконечностью - озером Ала-Кулем (Ала-коль) - отделяет системы центральноазиатских хребтов от однообразной Киргизской степи". К юго-востоку от Балхаша он увидел исследованную А. Шренком "ослепительно блестящую... вечными снегами", простирающуюся на юго-запад цепь высоких гор и назвал ее Джунгарским Алатау. За этим хребтом начиналась "низкая и жаркая" долина реки Или. Миновав ее, он достиг города Верного (теперь Алма-Ата).
В сентябре - октябре Семенов совершил два маршрута к озеру Иссык-Куль. Первый пролегал через восточную часть хребта, "круто, как исполинская стена" поднимавшегося к югу от города. Это был Заилийский Алатау (название дано Семеновым). Поднявшись на хребет, он увидел на юге межгорную котловину бассейна реки Чилика (приток Или) с несколькими параллельными кряжами; с огромной высоты перевала они "имели вид огромных грядок". Он спустился с хребта на юго-восток, в долину Чилика, и, перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, через широкую степную долину рек Тюп и Джергалап вышел к озеру. "С юга весь... синий бассейн Иссык-Куля... замкнут непрерывной цепью снежных исполинов". Это был "заветный Тянь-Шань" - хребет Терскей-Ала-Тоо: "Снежные вершины его казались прямо выходящими из темно-синих вод озера". Тем же путем Семенов вернулся в Верный.
Через несколько дней он выехал на запад, пересек Заилийский Алатау и за рекой Чу на юго-западе увидел очень высокий горный хребет (Киргизский). Поднявшись по долине Чу через дикое и мрачное Боамское ущелье, Семенов вышел к северо-западному берегу Иссык-Куля; этот маршрут позволил ему опровергнуть упорные слухи, что озеро служит истоком Чу. От Иссык-Куля Семенов поднялся на Кюнгей-Ала-Тоо, пересек долину правого притока Чу и на обратном пути к Верному перевалил Заилийский Алатау в самой высокой части. При спуске с перевала ему и его спутникам "пришлось очень забавно и довольно безопасно скатываться по снегу со своими лошадьми".
В августе перед ним открылись горные гряды Куянды и Аламан. Местные жители говорили Семенову, что в ясный день с вершины Аламана можно увидеть Небесные горы. "Это стена, соединяющая землю и небо, - говорили русские переселенцы, поселившиеся в этих краях. - Край земли за теми горами. Никто никогда туда не ходил".
И вот он стоит на вершине, а далеко впереди поднимался Тянь-Шань...
Он спустился к берегам Иссык-Куля, обследовал их, собрал образцы пород, с удивлением глядел, как казаки, стоя по колено в воде, наотмашь рубили шашками рыбу - сазанов, собравшихся в прибрежных зарослях в несметные стаи. Наклонился и зачерпнул ладонью иссык-кульской воды. Она была чиста, холодна, но солоновата и для питья находилась. Семенов обследовал берег, нашел несколько раковин и обнаружил, что они принадлежат к новому виду пресноводного рода. Но задерживаться здесь долее он не мог: с ним было всего несколько казаков, а воинственные сарыбагиши - подданные кокандского хана, враждовавшего с русскими, - то и дело объявлялись поблизости. Вскоре вспыхнули и сигнальные костры, зажженные ими. Пришлось возвращаться в Верный.
Семенов приехал в Верный в середине сентября. Сарыбагиши все чаще стали появляться под стенами города, грабили караваны, пользуясь тем, что людей для защиты их не хватало. Полковник Хоментовский, знакомый Петру Петровичу по Петербургу, дал под его команду сотню казаков и предложил разведать тылы противника, собрать сведения о военных силах кокандского хана. Семенов без промедления выступил во главе отряда на запад, вдоль Заилийского Алатау.
В первый же день произошла стычка с сарыбагишами. Казаки обратили их в поспешное бегство. Отряд Семенова преследовал их. Только подожженная бежавшими сухая трава остановила казаков. Перед ними возвышались Небесные горы... Семенов решил вести отряд вверх, к перевалу. Он надеялся, пройдя перевал, спуститься в долину по ту сторону гор, достигнуть верховьев реки Чу и выйти на западные берега Иссык-Куля. И о реке Чу, и о самом Иссык-Куле европейские географы знали очень немногое.
Отряд спустился в долину, прошел мимо киргизских аулов и, встретившись с одним из предводителей сарыбагишей, установил с ними дружеские отношения. Семенов получил двух проводников, которые и провели его одного, уже без отряда, по Чуйской долине, до самого Иссык-Куля.
Это было огромной удачей! Он прошел вдоль течения мелководной Кутемалды до самого ее устья в озере и убедился в том, что с Чу она не связана. В свою очередь, Чу не вытекает из озера. У Иссык-Куля нет стока.
Зиму 1856/57 года Семенов провел в Барнауле. Он решил привести в порядок коллекции, написать подробный отчет Географическому обществу, подготовиться к следующей экспедиции, которую наметил на весну 1857 года.
В отчете он иллюстрировал свои размышления о пяти зонах Заилийского Алатау наблюдениями над их растительностью. Материал собрал богатейший - 70 видов растений, среди которых оказалось четыре вида еще неизвестных науке, новые виды рябины и клена. Но он не просто описывал горные зоны и растения, а доказывал, что растительность необходимо рассматривать как органическую часть мира, в котором она живет в неразрывной связи с климатом, геологией, гидрографией.
В Барнауле Петр Петрович встретился с Достоевским, с которым познакомился еще в Петербурге. Две недели гостил Федор Михайлович в доме Семенова. Достоевский работал тогда над "Записками из мертвого дома" и читал Семенову отдельные главы. Уже много лет спустя, на склоне лет, Петр Петрович напишет: "Потрясающее впечатление производило на меня это чтение, и как я живо переносился в ужасные условия жизни страдальца, вышедшего более чем когда-либо с чистой душой и просветленным умом из тяжелой борьбы..."
Они расстались - Достоевский спешил в Кузнецк - сочетаться браком, но скоро вернулся, уже с молодой женой, и прогостил у Петра Петровича еще две недели...
Летом 1857 года Семенов во главе большого отряда вышел из Верного. На этот раз его спутником был художник Павел Михайлович Кошаров - учитель рисования Томской гимназии. Он прошел по северному склону Заилийского Алатау на восток до реки Чилик; через параллельные кряжи Согеты и Тораигыр и заключенное между ними "сухое, безводное и... бесплодное плоскогорье" достиг верхнего течения Чарына, притока Или. С узкого гребня Тораигыра на юго-востоке Семенов первым из европейцев увидел величественный Хан-Тенгри. Перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, он прошел на юг к северным склонам Терскей-Ала-Тоо. В один из вечеров, остановившись на ночевку, Семенов насладился чудесной панорамой: "Солнце уже склонялось к вечеру, над Кюнгеем носились темные облака, эффектно освещенные солнечным закатом. В то время, когда снежные вершины Кюнгей-Ала-Тоо уже начали загораться... альпийским мерцанием, мягкие куполовидные предгорья были облиты светом... как будго горы горели и дымились".
Поднявшись на перевал в Терскей-Ала-Тоо, он увидел на юге реки Нарын - "верховья древнего Яксарта" (Сырдарьи). Перед ним расстилалась "волнистая равнина с зелеными озерцами" - сырты Внутреннего Тянь-Шаня. Спуститься к Нарыну Семенов не решился, так как лошади были изранены и измучены, поэтому он вернулся к Иссык-Кулю, затем перевалил Кюнгей-Ала-Тоо и достиг реки Чилик. Отдохнув в ауле и наняв свежих лошадей, Семенов вышел к Нарыну и поднялся по его левой составляющей. С перевала в Терскей-Ала-Тоо он был "ослеплен неожиданным зрелищем... [на юго-востоке] возвышался самый величественный из когда-либо виденных мной горных хребтов. Он весь, сверху донизу, состоял из снежных исполинов (Семенов насчитал их не менее 30)... Как раз посередине... возвышалась одна, резко... отделяющаяся по своей колоссальной высоте белоснежная остроконечная пирамида..." - Хан-Тенгри, долгое время считавшийся высшей точкой (6995 метров) Тянь-Шаня. Спустившись в долину реки Сары-Джаз (бассейн Тарима), он прошел к ее верховьям, где открыл огромные ледники, в существовании которых он прежде сомневался, а затем вернулся в Верный.
