В 1853 году молодой казачий офицер отправился из Семипалатинска в Копал. Оттуда Потанин прошел к реке Или, переправился через нее и достиг подножия Тянь-Шаня. Русский отряд расположился на стоянку среди абрикосовых и яблоневых рощ долины Иссык. Потанин осмотрел ближний водопад и два высокогорных озера.

Весной 1853 года отряд перешел на реку Алма-Ату, где Потанин принял участие в постройке первых зданий будущего города Верного. Затем был совершен поход на реку Чу.

В конце 1853 года Григорий совершил поездку в Кульджу, в пределы Западного Китая. Там Потанин познакомился с видным ученым русским консулом И. И. Захаровым. Исследователь Китая указал молодому офицеру книги по истории изучения стран Центральной Азии. Впоследствии Потанин составил очерк пути из Копала в Кульджу.

Возвратившись из Тянь-Шаня, он отправился на Алтай, в станицы Бийской линии, жизнь которых Потанин вскоре описал в своих первых очерках.

К тому времени, когда случай свел его в Омске с Петром Петровичем Семеновым, возвращавшимся из экспедиции на Тянь-Шань, Потанин обладал довольно обширными познаниями в ботанике, чем немало удивил знаменитого ученого.

Петр Петрович всегда помогал одаренным людям. Он убедил молодого казачьего офицера в необходимости учиться, пообещав при этом свою поддержку. Сославшись на болезнь, Потанин подал в отставку.

Денег на дорогу в Петербург не было. В Барнауле удалось пристроиться к каравану, идущему с золотом в Петербург Взяли его, как бывшего офицера, в качестве охранника.

В университет он поступил в двадцать четыре года, однако проучился лишь два первых курса: начались студенческие волнения, университет закрыли, и Потанин остался не у дел. Выручил все тот же Семенов, рекомендовавший Потанина в экспедицию Струве, собирающуюся в южную Сибирь для астрономического определения географических координат российских Пограничных пунктов. И Потанин отправился в долину Черного Иртыша, на озеро Зайсаннор и в Тарабагатайские горы. В своей первой экспедиции он собирал гербарий, записывал киргизские песни, легенды, пословицы.

Вернувшись из путешествия, Потанин жил в Томске, где занимал скромное место преподавателя естественной истории в гимназии. Вскоре он стал активным членом кружка "Сибирских патриотов", за что был арестован.

Три года он провел в омской тюрьме в ожидании приговора Московского отделения сената. Омский суд приговорил его к пяти годам каторги. Почти через всю Сибирь отправился Потанин в далекую крепость Свеаборг в арестантские роты с каторжным отделением, где ему предстояло отбывать наказание. Восемь лет вычеркнуто из жизни.

Летом 1876 года из русского пограничного города Зайсана через Монгольский Алтай в город Кобдо прошла экспедиция Русского географического общества под начальством Григория Николаевича Потанина.

Спутниками его были топограф Петр Алексеевич Рафаилов и Александра Викторовна Потанина, этнограф и художник, сопровождавшая мужа во всех крупных экспедициях Из Кобдо Потанин двинулся на юго-восток вдоль северных склонов Монгольского Алтая, открыв короткие хребты Батар-Хайрхан и Сутай-Ула.

В июле, на тридцатый день пути, путешественники достигли стен монастыря Шара-Сумэ, расположенного на южном склоне Алтая и бывшего резиденцией воинственного жреца Цагангэгэна. Обойти стороной этот монастырь было нельзя.

Китайское селение, расположенное неподалеку от храма, казалось необитаемым Маленькая русская экспедиция, всего из восьми человек, миновала селение и двинулась к мосту, перекинутому через ров, окружающий монастырь. Но на мост им не дали ступить. Из ворот монастыря вырвалась толпа и, возбуждаемая монахами, принялась забрасывать чужеземцев комьями глины. В переговоры монахи вступать не пожелали. Они требовали, чтобы русские убирались туда, откуда пришли.

Когда Потанин захотел поближе рассмотреть кумирни монастыря, монахи набросились на всадников, начали стаскивать их с лошадей, избивать. Григорий Николаевич пытался увести за собой своих людей, но был тут же настигнут, пленен, обезоружен и посажен в полутемную монастырскую келью.

Через некоторое время пришел лама и сказал русским, что их будут судить за надругательство над святыней. К вечеру следующего дня заточения путешественникам зачитали акт обвинения. Их обвиняли в святотатстве, в затеянной свалке с местными жителями. Иноземцам разрешали идти дальше лишь при условии, что двинутся они пикетной дорогой. В противном же случае оружие русским не будет возвращено.

Их направляли дорогой, где легко будет следить за каждым их шагом К тому же эта дорога лежала в стороне от тех мест на южном Алтае, ради которых они отправились в путь.

Григорий Николаевич нашел проводника-киргиза и безоружный вышел на дорогу.

В этой экспедиции Потанин пересек Джунгарскую Гоби и обнаружил, что она представляет собой степь с невысокими грядами, вытянутыми параллельно Монгольскому Алтаю и обособленными от Тянь-Шаня. Дальше на юге Потанин и Рафаилов открыли два параллельных хребта - Мэчин-Ула и Карлыктаг и точно нанесли эти самые восточные отроги Тянь-Шаня на карту. Перевалив их, они прошли в оазис Хами, двинулись затем на северо-северо-восток, снова пересекли в обратном направлении отроги Восточного Тянь-Шаня, Джунгарскую Гоби и Монгольский Алтай (восточнее прежнего пути) и окончательно установили самостоятельность горных систем Алтая и Тянь-Шаня. При этом они открыли несколько хребтов, южных и северных отрогов Монгольского Алтая – Адж-Богдо и ряд менее крупных. Перейдя через реку Дзабхан, они поднялись по предгорьям Хангая к городу Улясутай. В результате троекратного пересечения Монгольского Алтая экспедиция установила общие черты орографии хребта и большую его протяженность с северо-запада на юго-восток. Фактически Потанин положил начало научному открытию Монгольского Алтая.

Из Улясутая путешественники пошли на северо-восток, перевалили хребет Хангай, пересекли бассейн верхней Селенги (Идэр и Дэлгэр-Мурэн), уточнили его положение, впервые закартировали озеро Сангийн-Далай-Нур и осенью 1876 года добрались до южного берега озера Хубсугул. Пройдя отсюда на запад приблизительно по 50-й параллели по гористой местности, в середине ноября они достигли горько-соленого озера Убсу-Нур. На этом пути они открыли хребет Хан-Хухэй и пески Бориг-Дэл, а также нанесли на карту хребет Танну-Ола (ныне выделяют Западный и Восточный Танну-Ола).

У озера Убсу-Нур экспедиция разделилась. Потанин направился на юг через Котловину Больших озер в Кобдо, а Рафаилов, продолжая маршрут по 50-й параллели, пересек и впервые исследовал короткие горные хребты между западной частью Монгольского Алтая и Танну-Ола.

В Кобдо, одном из главных торговых центров Монголии, они провели короткую зиму, приводили в порядок коллекции, наблюдали быт этого города, служившего перевалочным пунктом на пути торговых караванов, везущих из Пекина знаменитые на весь мир китайские шелка, фарфоровую посуду, табак, чай. Из России сюда приходили караваны с сахаром, изделиями из чугуна и железа, имевшими в Китае большой спрос, - котлами, ведрами, ножами, ножницами и другими товарами. В городе никто постоянно не жил приезжали на торговлю купцы и, сделав свои дела, уезжали. Отслужив недолгую службу, исчезали чиновники. Китайские гарнизоны приходили и уходили, оставляя место другим. Изредка только на улице можно было встретить женщин, а детей не было видно вовсе. Потанин наблюдает жизнь города и подробно описывает ее, отмечая обычаи китайцев, их праздники, жертвоприношения, на которые, как правило, европейцы не допускались.

Весной 1877 года экспедиция выступила на юг и через пустыню Гоби проследовала к городу Баркулю. Затем Потанин посетил город Хами, в котором была сосредоточена торговля с Китаем. Около монгольского города Улясутая Потанину удалось исследовать теплые серные ключи.

Путешественник побывал на Косоголе, самом большом озере Монголии, расположенном на высоте 1615 метров, достиг буддийского монастыря Улангком, около озера Убса, возвратился в Кобдо и оттуда проследовал в Кош-Агач на Русском Алтае.