В глубине Центральной Азии, на Тибетском нагорье, Роборовского разбил паралич, и через неделю, в феврале 1895 года, Козлов, принявший руководство экспедицией, повернул обратно. Вернувшись в Турфанскую впадину, они направились на северо-запад и впервые пересекли пески Дзосотын-Элисун. Вместо многих кряжей, показанных на старых картах, Козлов обнаружил пески Коббе. Закончив свой путь в Зайсане в конце ноября 1895 года, Роборовский и Козлов проделали в общей сложности около 17 тысяч километров.
Во время этой экспедиции Петр Кузьмич совершил 12 самостоятельных маршрутов. В собранной им зоологической коллекции были три редкие экземпляра шкур диких животных. Козлов делал преимущественно энтомологические сборы, собрав около 30 тысяч экземпляров насекомых.
Путешествие в Центральную Азию (1899-1901) было его первой самостоятельной экспедицией. Она называлась Монголо-Тибетской: ее можно определить как географическую, в отличие от двух следующих, в основном археологических. В середине лета 1899 года экспедиция проследовала от границы вдоль Монгольского Алтая к озеру Орог-Нур и при этом произвела подробное исследование этой горной системы. Сам Козлов прошел по северным склонам главного хребта, а его спутники, ботаник Вениамин Федорович Ладыгин и топограф Александр Николаевич Казнаков, несколько раз переваливали хребет, проследили также и южные склоны. Выяснилось, что главный хребет простирается на юго-восток в виде единой горной цепи, постепенно понижающейся, и заканчивается хребтом Гичгэнийн-Нуру, а далее тянется Гобийский Алтай, состоящий лишь из цепи небольших холмов и коротких низких отрогов. Затем все трое разными путями пересекли пустыни Гоби и Алашань; соединившись, они поднялись на северо-восточную окраину Тибетского нагорья, обошли с севера страну Кам, расположенную в верховьях рек Янцзы и Меконг.
В высокогорной стране Кам Козлова поразило необычайное богатство растительности и разнообразие животного мира. Путешественники встретили новые, неизвестные науке экземпляры. Из этих мест Козлов предполагал направиться в столицу Тибета Лхасу, но глава Тибета далай-лама категорически воспротивился этому. Экспедиции пришлось изменить маршрут.
Козлов открыл четыре параллельных хребта юго-восточного направления: на левом берегу Янцзы - Пандиттаг, на правом - Русского географического общества - водораздел между верхней Янцзы и Меконгом, на правом берегу Меконга - хребет Вудвилл-Рокхилла, южнее - Далай-ламы - водораздел бассейнов верхнего Меконга и Салуина.
На обратном пути после подробной описи озера Кукунор путешественники снова пересекли пустыни Алашань и Гоби. В Урге их ждали. Нарочный, высланный навстречу экспедиции, вручил письмо Козлову от русского консула Я. П. Шишмарева, в котором говорилось, что "гостеприимный кров готов приютить дорогих путешественников".
9 декабря 1901 года достигли Кяхты. Телеграмма Козлова развеяла упорные слухи об их гибели - почти два года от них не поступало никаких сведений.
Путешественники собрали ценный материал. Геологическая коллекция содержала 1200 образцов горных пород, а ботаническая - 25 тысяч экземпляров растений. В зоологической коллекции находилось восемь неизвестных науке птиц.
После этого путешествия имя Козлова становится широко известным, и не только в научных кругах. О нем говорят, пишут в газетах, называют продолжателем дела Пржевальского. Русское географическое общество удостаивает его одной из самых почетных наград - Константиновской золотой медали. Помимо крупных географических открытий и великолепных коллекций - ботанической и зоологической, им были изучены малоизвестные и даже совсем неизвестные восточно-тибетские племена, населяющие верховья Хуанхэ, Янцзыцзян и Меконга. Эта экспедиция описана Козловым в двухтомном труде "Монголия и Кам", "Кам и обратный путь".
Козлов, считая, что "путешественнику оседлая жизнь, что вольной птице клетка", начал подготовку к следующей экспедиции.
Его давно влекла тайна мертвого города Хара-Хото, затерянного где-то в пустыне, и тайна народа си-ся, с ним вместе исчезнувшего. 10 ноября 1907 года он оставил Москву и отправился в так называемую Монголо-Сычуаньскую экспедицию. Помощниками его были топограф Петр Яковлевич Напалков и геолог Александр Александрович Чернов. Следуя от Кяхты через пустыню Гоби, они перевалили Гобийский Алтай и вышли в 1908 году к озеру Сого-Нур, в низовьях правого рукава реки Жошуй (Эдзин-Гол).
Повернув на юг, Козлов через 50 километров открыл развалины Хара-Хото, столицы средневекового тангутского царства Си-Ся (XIII век).
Они вошли в город с западной его стороны, миновали небольшое сооружение с сохранившимся куполом - Козлову показалось, что оно напоминает мечеть, и оказались на обширной квадратной площади, пересеченной во всех направлениях развалинами. Хорошо были видны основания храмов, выложенные из кирпича.
Определив географические координаты города и его абсолютную высоту, Козлов начал раскопки. Всего за несколько дней были найдены книги, металлические и бумажные деньги, всевозможные украшения, предметы домашней утвари.
В северо-западной части города удалось найти останки большого богатого дома, принадлежавшего правителю Хара-Хото Хара-цзянь-цзюню. Здесь находился скрытый колодец, в котором, как гласило предание, правитель спрятал сокровища, а потом приказал бросить тела своих жен, сына и дочери, умерщвленных его рукой, чтобы спасти их от издевательств врага, уже ворвавшегося за восточные стены города... Эти события происходили более пятисот лет назад...
Находки были бесценны. Лепные украшения зданий в виде барельефов, фрески, богатая керамика - тяжелые сосуды для воды с орнаментом и знаменитый, на редкость тонкий китайский фарфор, различные предметы из железа и бронзы - все говорило о высокой культуре народа си-ся и его обширных торговых связях. Быть может, и не оборвалась бы жизнь некогда прекрасного города, если бы правитель его - батыр Хара-цзянь-цзюнь не вознамерился овладеть престолом китайского императора. Целый ряд сражений, происшедших неподалеку от Хара-Хото, закончился поражением его властителя и заставил Хара-цзянь-цзюня искать спасения за стенами города. Крепость держалась до тех пор, пока осаждающие не перекрыли русло Жошуя мешками с песком и не лишили город воды. В отчаянии через пробитую брешь в северной стене осажденные кинулись на врага, но в неравной схватке погибли все, и их властитель тоже. Захватив поверженный город, победители так и не смогли отыскать сокровища правителя...
От Хара-Хото экспедиция двинулась на юго-восток и пересекла пустыню Алашань до хребта Алашань, причем Напалков и Чернов исследовали территорию между реками Жошуй и средней Хуанхэ и западную полосу Ордоса. В частности, они установили, что Жошуй такая же блуждающая река, как и Тарим, и что хребет Арбисо, на правом берегу Хуанхэ, является северо-восточным отрогом хребта Хэланьшань. Повернув на юго-запад, экспедиция проникла в верхнюю излучину Хуанхэ - в высокогорную страну Амдо - и впервые всесторонне исследовала ее.
Русское географическое общество, получив сообщение об открытии мертвого города и о сделанных в нем находках, в ответном письме предложило Козлову отменить намеченный маршрут и вернуться в Хара-Хото для новых раскопок. Петр Кузьмич, следуя предписанию, повернул к мертвому городу. Но пока письма шли в Петербург и обратно, экспедиция успела совершить большой переход по Алашаньской пустыне, подняться к альпийскому озеру Кукунор, пройти на нагорье северо-восточного Тибета, где русским путешественникам пришлось отбиваться от разбойников, которыми руководил один из местных князьков.
В этих краях, в большом монастыре Бумбум, Козлов встретился - уже во второй раз - с духовным владыкой всего Тибета - далай-ламой Агван-Лобсан-Тубдань Джамцо.
Далай-лама, человек осторожный и недоверчивый, остерегавшийся иностранцев как самого великого зла, проникся к Козлову полным доверием, проводил много времени с ним в беседах, а на прощание подарил два замечательных скульптурных изображения Будды, одно из которых было осыпано алмазами, и вдобавок пригласил в Лхасу. Последнее Козлову было ценнее всего. Сколько европейских исследователей мечтало и стремилось в ней побывать - и напрасно!
