Путешествие началось в начале сентября. Вместе с Семеновым к Иссык-Кулю шли 10 казаков конвоя, крепостной слуга и 2 казаха-проводника. С плоскогорья Уч-Мерке путешественники впервые увидели снежные цепи Тянь-Шаня, а чуть позже с вершины одной из сопок им открылась водная гладь огромного высокогорного озера, которое китайцы называли «Же-хай» – Теплое море. Это и был Иссык-Куль. По долине р. Тюп отряд спустился к озеру. Здесь, на открытом для обозрения мысе Тюпского залива, провели всего 2–3 часа. Боясь нападения враждебных сарыбагишей, ночь провели в ущелье, а затем вернулись в Верный.

Однако на этом экспедиция не закончилась. Семенов решил обследовать западное побережье озера. Вскоре путешественник вернулся на озеро с охранительным отрядом из сорока казаков и нескольких проводников. Уже через несколько часов пути спутникам Семенова пришлось применить оружие. На караван кокандских купцов, идущий в Верный, напали сарыбагиши. Казаки бросились их преследовать, но разбойники зажгли степь, и русские были вынуждены остановиться.

Путешественникам нужно было незаметно пройти в Чуйскую долину через Буамское (Боамское) ущелье, которое просматривалось со стороны кокандских сторожевых постов. Кроме того, здесь орудовали шайки сарыбагишей. Ночью неподалеку от лагеря слышались выстрелы, но все обошлось благополучно. Более того, после ущелья на пути отряда оказалось несколько аулов сарыбагишей. В первом же ауле Семенов заявил, что идет как друг, и новость мгновенно распространилась по соседним селениям. Дальше его встречали как гостя, но на всякий случай ночью путешественники продолжали выставлять охрану. Проводить исследования можно было беспрепятственно. Поэтому вскоре экспедиция установила, что «Чу, спускаясь с Тянь-Шаньского нагорья, протекает мимо озера», то есть, вопреки мнению Риттера и других европейских географов, истоки реки не имеют к нему никакого отношения.

В Верный экспедиция возвратилась в начале октября. В это время года путешествовать по Тянь-Шаню было невозможно. Зиму 1856–1857 гг. Петр Петрович провел в Барнауле, изучая ботанические и геологические коллекции, а весной вернулся в Верный, чтобы осуществить новое путешествие. Предстояло выйти на южное побережье Иссык-Куля, дойти до северного склона Терскей-Алатау и взойти на один из перевалов.

Вторая экспедиция Семенова отправилась в путь 28 мая 1857 г. На этот раз в ее составе было 58 человек, в т. ч. художник, а также 70 лошадей и 12 верблюдов. Вместе с ними шел отряд одного из султанов Большой Орды Тезек, в котором наcчитывалось 1500 всадников. По наущению Перемышльского, нового начальника Верного, Тезек должен был оказать помощь богинцам, склонявшимся к переходу в русское подданство, против сарыбагишей. Весть о таком большом войске вскоре разнеслась по аулам. Сарыбагиши бежали, и это дало возможность спокойно провести исследования. Отряд Семенова беспрепятственно поднялся на Терскей-Алатау по Заукинскому проходу и добрался до сыртов[23] Нарына, где было собрано около тридцати видов альпийской растительности. Многие из них были неизвестны науке, в т. ч. альпийский лук, известный сейчас как лук Семенова (Alium Semenovi). Благодаря этому растению китайцы называли эту часть Тянь-Шаня Цу-линь – Луковыми горами.

Спуститься к р. Нарын Семенов не решился. Слишком устали и люди, и животные. К тому же на сырты ученый пришел с отрядом всего из шести человек. Основные силы остались в лагере. А бояться было чего: на обратном пути путешественники увидели поляну, усеянную трупами людей и лошадей, вмерзшими в землю. С такими зрелищами путники сталкивались не раз. А однажды лошадь Семенова, испугавшись трупа, чуть не сбросила его в пропасть.

Впрочем, на отряд пока никто не нападал. Только однажды во время небольшой экскурсии Семенову и его сопровождению из 15 человек встретилось 30 барантачей-разбойников. Силы были неравные, и ученый решился на отчаянный поступок. Он кинулся на лошади навстречу врагу. Лошадь внесла его в самый центр вражеского отряда. Вдруг барантачи соскочили с лошадей, положили на землю свои кремневые ружья и сдались в плен. Взяв двух заложников, путешественники благополучно вернулись на базу, взяв с барантачей обещание, что те не будут нападать на бегинцев.

Основной базой отряда Петра Петровича стал аул бегинского манапа (князя) Бурамбая, у которого незадолго до прихода русских и Тезека сарыбагиши увели в плен одну из жен и трех невесток. Кроме того, сарыбагиши вытеснили его из Заукинской долины, где находились пашни и сады манапа. Он надеялся на помощь русских и всячески помогал им. Поэтому когда Семенов высказал желание идти к Хан-Тенгри («Властелину неба»), Бурамбай охотно выделил ему 70 лошадей, 10 верблюдов и 6 проводников.

Поднявшись на Кокджарский перевал, путешественники увидели горный массив Хан-Тенгри и спустились в долину р. Сары-Джас к его подножию, а отсюда произвели ряд радиальных выходов для изучения окрестностей, в т. ч. одного из сарыджасских ледников и истоков р. Сары-Джас.

На обратном пути, посетив долину Текеса и обнаружив там пласты каменного угля и каменноугольные известняки, отряд вернулся на основную базу. Оказалось, что за время их путешествия султан Тезек был захвачен в плен одним из завистников и может быть передан сарыбагишам. Русские бросились на помощь и усмирили врагов Тезека, который к тому времени уже сумел бежать. Следующий выход Семенов сделал на Курментинский перевал и 29 июня 1857 г. вернулся в Верный. Его приключения в горах Тянь-Шаня закончились.

Научные результаты этих двух путешествий, совершенных всего за два летних периода, огромны. По собственным словам Семенова, он «проложил путь со стороны России в глубь Центральной Азии, в совершенно недоступные до тех пор для географической науки недра самой центральной из горных систем азиатского материка – Тянь-Шаня». Кроме того, что он впервые проник на территории, которые европейцами еще не посещались, ученый сумел установить происхождение Тянь-Шаня и его геологический возраст, опровергнуть теории Гумбольдта и Рихтера – непререкаемых научных авторитетов того времени. Он сумел доказать, что снеговая линия в Тянь-Шане в связи с континентальным климатом проходит гораздо выше обычного, на уровне почти 4 тыс. м над уровнем моря. Было установлено, что оз. Иссык-Куль является бессточным. Привезены коллекции растений и минералов.

Петр Петрович и не думал, что этим его путешествия будут закончены. Он считал проделанную работу лишь началом исследований. Однако на организацию следующей экспедиции средств у Русского географического общества не оказалось. Пришлось заняться другими проблемами.

Семенов стал руководить отделом физической географии общества, потом, с 1873 г., почти полстолетия, до самой смерти, возглавлял Географическое общество. Это при его содействии были осуществлены путешествия Пржевальского, Потанина, Северцева, Грум-Гржимайло, Певцова, Козлова и др.

В 1864 г. ученый возглавил Центральный статистический комитет, составил схему экономических районов Европейской России, провел первую перепись в стране и написал ряд классических научных статей по статистике и экономической географии.

В 1889 г. он возглавил Русское энтомологическое общество и не оставлял этой работы до конца жизни. Вместе с сыном Андреем Семенов собрал самую крупную в мире коллекцию насекомых, которая насчитывает около 700 тыс. экз. и сейчас хранится в Зоологическом музее Российской академии наук.

За заслуги перед наукой Семенов в 1864 г. был награжден малой золотой медалью Географического общества. Позже стал почетным членом Российской академии наук и около 70 научных обществ России и Европы. Его огромный авторитет и заслуги стали основой для того, чтобы в год 50-летия первой Тянь-Шаньской экспедиции специальным законом к фамилии Семенов было добавлено почетное имя Тян-Шанский.

Малоизвестной областью деятельности Семенова-Тян-Шанского являются его работы в области искусствоведения. Он собрал одну из самых крупных в мире коллекций картин «малых голландцев», причем подбор картин осуществлялся таким образом, чтобы они дополнили коллекцию Эрмитажа. В 1906 г. ученый издал на французском языке каталог своей коллекции, который известен на Западе под названием «Семеновский». Знания его в этой области были так обширны, что с ним специально приезжали консультироваться многие ученые-искусствоведы. 3476 гравюр поступили в Эрмитаж еще при жизни Петра Петровича, а 720 картин были переданы по завещанию после смерти ученого 11 марта 1914 г.