Все члены экспедиции соединились в Бийске в начале 1878 года. Рафаилов составил довольно точную карту Западной Монголии.
В 1881 году Русское географическое общество издало труд Потанина - "Очерки Северо-Западной Монголии. Результаты путешествия, исполненного в 1876-1877 годах" с картой похода от Зайсана до озера Убса.
Потом были еще две экспедиции, в которых удалось завершить исследование избранной части Монголии, собрать более полные гербарии, поскольку значительная часть первой экспедиции проходила поздней осенью, когда о сборе растений не могло быть и речи. И, кроме того, удалось проследить связь между пересохшими озерами, описать новые области.
В июне 1879 года, выступив из Кош-Агача на восток, к озеру Убсу-Нур, Потанин по дороге подробно изучил горы. Охватив исследованием всю Котловину Больших Озер, он также пришел к выводу, что Хиргис-Нур, Хара-Нур и Хара-Ус-Нур взаимно связаны речной системой. Все три озера, по Потанину, располагаются на широких плоских равнинах - "ступенях", понижающихся с юга на север и разделенных невысокими горами и холмами, но озеро Убсу-Нур не имеет связи с остальными. Потанин, таким образом, завершил исследование Котловины Больших Озер - огромной впадины на северо-западе Монголии. Из Кобдо в сентябре он вернулся к Убсу-Нуру. Участник экспедиции топограф Орлов произвел первую полную съемку озера - оно оказалось самым большим водоемом Монголии (3350 квадратных километров).
Поднимаясь от Убсу-Нура в горы, путешественники увидели на севере лесистый хребет Танну-Ола. "Горы, казалось, стояли сплошной стеной, - писала А. В Потанина, -вершины были покрыты пятнами снега и по утрам дымились туманами...". В конце сентября, перевалив хребет, экспедиция спустилась в центральную часть Тувинской котловины - в долину реки Улуг-Хема (система верхнего Енисея) - и, продвигаясь на восток, проследила ее более чем на 100 километров и на столько же - долину реки Малого Енисея (Ка-Хем) до устья реки Улуг-Шивея. В результате пересечения Танну-Ола и 200-километрового маршрута по Тувинской котловине экспедиция точно нанесла на карту очертания главного хребта и его северных отрогов, а также уточнила картографическое изображение верховьев Енисея. Она поднялась по Улуг-Шивею до верховья, пересекла хребет Сангилен и, повернув на восток, к верховьям Дэлгэр Мурэна, вышла к западному берегу Хубсугула, вдоль которого простирается хребет Баян-Ула с высотами более трех тысяч метров.
Путешествие закончилось в Иркутске. Дневники двух экспедиций Потанина составили четыре тома "Очерков Северо-Западной Монголии" (1881-1883), из них два тома этнографических материалов, собранных главным образом А. В. Потаниной.
В 1884 году Географическое общество отправило Потанина в его первую китайскую экспедицию, в которой участвовали также А. В. Потанина и А. И. Скасси. Потанину предписывалось продвигаться такими маршрутами, которые дополнили бы работу Пржевальского. Двигаясь в населенной части провинции Ганьсу, он должен был описывать природу нагорной Азии и ее переходы к теплым долинам китайских равнин.
Потанин вместе со спутниками прибыл в Батавию на русском фрегате "Минин". Большой переход из Кронштадта через Индийский океан успешно закончился на острове Ява. Фрегат ушел, а Потанин остался дожидаться корвета "Скобелев", который и должен доставить экспедицию в китайский порт Чифу.
Первого апреля 1884 года русская экспедиция высадилась на китайскую землю. Через два месяца, закончив полное снаряжение, наняв ходких лошадей и выносливых мулов, путешественники вышли из Пекина и двинулись по Императорской дороге через Великую Китайскую равнину. Дорога вела мимо небольших селений и оживленных городов, мимо караванов, мимо бесчисленных нищих, тянувших навстречу руки, вымаливая подаяние.
Через семь дней пути Потанин повернул караван на запад и вскоре достиг ответвления Великой Китайской стены, построенной еще в 211 году до нашей эры. Потом за спиной путников остались старинные монастыри с живописными кумирнями, большой древний город Кукухото, Хуанхэ. Они вышли в долину Ордос, лежащую в ее гигантской излучине.
Весной 1885 года путешественники перебрались в Синин, двинулись на юг и через горную безлесную область верхнего течения реки Хуанхэ, юго-восточные отроги Куньлуня и восточные склоны Сино-Тибетских гор достигли верховьев реки Миньцзяна (северный большой приток Янцзы). Проследовав оттуда на восток около 150 километров, они повернули на север и через горные цепи системы Циньлин вернулись в Ланьчжоу, где снова зимовали. В результате этого двойного пересечения "Тангутско-Тибетской окраины" Китая Потанин подразделил ее на две части: северная представляет собой нагорье высотой более 3000 метров с редкими хребтами и неглубоко врезанными речными долинами; южная характеризуется сложным горным рельефом с глубокими речными долинами.
В апреле 1886 года экспедиция прошла на запад к озеру Кукунор, повернула оттуда на север и, перевалив несколько безымянных хребтов, добралась к истокам реки Жошуй, точно ею установленным. При этом Потанин и Скасси обнаружили первую цепь системы Наньшаня, строение которой оказалось более сложным, чем показывал Пржевальский. Проследив все течение Жошуя до низовьев (около 900 километров), они вышли к бессточному озеру Гашун-Нур и точно нанесли его на карту. Двигаясь далее на север через Гоби, экспедиция при пересечении Гобийского Алтая выявила четыре его южных невысоких отрога широтного направления (в том числе Тост-Ула), исправив карту Певцова. Потанин так охарактеризовал пересеченную им полосу Гоби: южная часть представляет собой плоскую возвышенность с низкими хребтами, центральная - пустынную впадину не более 900 метров; северная - невысокую горную страну, продолжение Монгольского Алтая. От озера Орог-Нур экспедиция прошла на север по долине реки Туйн-Гол до ее верховьев, перевалила хребет Хангай и, повернув на северо-восток, через бассейн реки Орхон вышла к Кяхте в начале ноября 1886 года. При этом был нанесен на карту водораздел Селенги и Орхона - хребет Бурэннуру - и ряд небольших отрогов Хангая.
Экспедиция Потанина пересекла Центральную Азию приблизительно по 101-му меридиану, причем горные цепи были пройдены поперек их основного направления, из-за чего не удалось установить длину и простирание отдельных хребтов. Результаты экспедиции описаны в работе "Тангутско-Тибетская окраина Китая и Центральная Монголия" (1893).
Монгольские экспедиции сделали Потанина известным. Его отчеты, изданные в Петербурге Географическим обществом, представляли собой четырехтомный объемистый труд, поражавший обилием собранного материала и его разнообразием. Автор - исследователь, соединивший в себе несколько разных научных школ: он и ботаник, и геолог, и этнограф. Он же историк и экономист, зоолог, картограф. Данные, им полученные, позволили уточнить старые карты, закрасить на них "белые пятна", проставить высоты, соответствующие истинным, прояснить географические координаты многих пунктов. Ценнейший научный материал представляли коллекции - гербарии, собрания млекопитающих, рыб, птиц, моллюсков, пресмыкающихся, насекомых.
Потанин впервые описал несколько народностей, ранее вовсе неизвестных или известных только понаслышке. Два отдельных тома включали народные легенды, сказки, эпосы - все, что удалось услышать из народного устного творчества, было подробно записано и стало достоянием науки.
Поселившись в Иркутске, Григорий Николаевич вступил в должность правителя дел Восточно-Сибирского отдела Географического общества. Позже Потанины перебрались в Петербург.
Вскоре последовала новая экспедиция: в восточные окраины Тибета и китайскую провинцию Сычуань. Она началась в Кяхте осенью 1892 года.
В Пекине врач русского посольства, осмотрев Александру Викторовну Потанину, посоветовал ей оставить всякие мысли о возможности дальнейшего путешествия. Однако женщина все же продолжила путешествие.
